摘要
水凝胶通常是一种具有三维网状结构的有机高分子材料，它能够在水中溶胀但不溶解，且具有很强的保水能力，在生物医学，药物缓释、传感等领域有着广泛的应用前景。近年来，基于天然高分子的水凝胶由于其来源广泛，以及良好的生物相容性和可生物降解等优点，受到广泛的关注。其中，海藻酸钠作为天然高分子材料，取自褐藻类的海带或马尾藻中的提取碘和甘露醇之后的副产物。其分子由β-D-甘露糖醛酸（β-D-mannuronic，M）和α-L-古洛糖醛酸（α-L-guluronic，G）按（1→4）键连接而成，具有良好的稳定性、水溶性和安全性。此外，海藻酸钠（SA）能够简单地通过二价阳离子进行交联形成水凝胶。且具有一定的pH响应性能，已经在功能水凝胶领域得到广泛的应用。本论文从实际应用出发，首先对海藻酸钠进行化学改性，在此基础上，合成了几种海藻酸钠复合水凝胶材料，并研究了其在催化以及在水环境工程等领域的应用。主要工作如下： 1.为提高海藻酸钠对水溶液中疏水性有机化合物的吸附性能以及催化还原能力，以海藻酸钠与环糊精（β-CD）为原料，环氧氯丙烷为偶联剂，首先合成了一种β-CD改性的海藻酸钠高分子（β-CD@SA），并对合成条件进行了优化。然后将硝酸银加入此海藻酸钠水溶液中，通过分子中β-CD单元的还原性，制备了一种银纳米粒子复合的海藻酸钠高分子材料（β-CD@SA@Ag）。最后以环己烷为油相，司盘80和吐温80为乳化剂，氯化钙为交联剂，利用反相微乳法，成功合成了一种银纳米粒子掺杂的海藻酸钠复合水凝胶微球。在此基础上，系统研究了材料对水中有机物的吸附性能。然后以对硝基苯酚为模型分子，硼氢化钠为还原剂，研究了此海藻酸钠复合水凝胶微球催化还原性能，并对反应底物进行了拓展。研究结果表明，该复合材料对芳香硝基化合物具有优异的广谱催化性能与良好的环境适应性。无论在纯水、自来水还是湖水中，能够在2-13min内将含不同取代基的芳香族硝基化合物还原为对应的芳香胺类化合物。6次循环后，仍保持98%的催化效率。最后，本章根据以上结果提出了相应的催化机制。 2.为提高β-CD@SA对水溶液中重金属离子的吸附能力，增加了聚乙烯醇（PVA）为原料，以氯化钙为交联剂，合成了一种半互穿PVA/β-CD@SA复合水凝胶材料。再将半互穿复合水凝胶材料通过冷冻解冻循环，进一步制备了一种互穿PVA/β-CD@SA复合水凝胶材料。并对合成条件进行了优化。在此基础上，研究了两种复合水凝胶材料对水中重金属离子的吸附性能，并探究了pH值，初始浓度，以及吸附时间对吸附过程的影响。研究结果表明：半互穿PVA/β-CD@SA复合水凝胶材料对重金属离子表现出更优的吸附性能。对Cu2+，Pb2+，Ni2+，Cd2+吸附容量分别可达172.83、182.24、192.18和114.86mg/g。且具有较好的循环使用性。五次使用后，仍保持60%的吸附效率。最后，通过动力学与热力学分析，提出了相应的吸附机理。 3.选择刚果红，甲基橙，亚甲基蓝，结晶紫为模型分子，将上述合成的半互穿PVA/β-CD@SA复合水凝胶材料进一步拓展至有机染料的吸附应用中。研究结果表明，半互穿PVA/β-CD@SA复合水凝胶材料对结晶紫和亚甲基蓝这类阳离子染料，表现出优异的吸附能力，吸附容量分别为13.4和34.2mg/g。而对于刚果红与甲基橙这类阴离子染料，β-CD@SA凝胶材料的吸附效果更优。吸附容量分别为14.84和5mg/g。在此基础之上，讨论亚甲基蓝溶液的pH值，初始浓度，以及吸附时间等条件对半互穿PVA/β-CD@SA复合水凝胶材料吸附性能的影响。并通过动力学与等温线模型分析，提出了相应的吸附机理。
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