蒙脱石/聚丙烯酸钠复合高吸水性材料合成及其在咸淡水环境中的吸水性能试验
海水入侵是一个全球性的问题,我国的海水入侵形势非常严峻,防止海水入侵刻不容缓。利用人工抽水井技术,修建选择性渗透反应墙,用来阻挡海水从地下渗入陆地,同时拦截经地下流入大海的淡水。本课题研究填充在截水墙中的遇淡水膨胀、咸水收缩的盐敏性物质,通过这种填充物质对海水、淡水的盐敏性变化,改变主体渗透反应墙的透水率,应用于防治海水入侵的研究。无机－有机复合高吸水性材料是盐敏性材料的选择之一,文中首先讨论无机材料的选择,及其在咸淡水环境下的膨胀性能,进而讨论不同合成条件下的蒙脱石/聚丙烯酸钠复合高吸水性材料在咸淡水环境中的膨胀性能,从而为盐敏性材料的研究提供基础资料。. 试验研究了NaOH、HCI、NaC1和CaC12等电解质的加入量对蒙脱石悬浮液膨胀性的影响,通过离子色谱、体视显微镜和激光粒度分析技术,研究了蒙脱石粒度变化与体积膨胀之间的关系;使用水溶液聚合法制备蒙脱石/聚丙烯酸钠复合高吸水材料,将合成的吸水材料在咸淡水交替环境下进行反复吸水试验:通过单因素变量的方法,分析两种不同的蒙脱石对合成材料的吸水性能的影响;通过正交实验的方法,分析蒙脱石、交联剂和引发剂的添加量(占丙烯酸单体重量的百分比)、中和度(NaOH与丙烯酸单体溶液的物质的量比)、温度等五因素对合成材料的吸水性能的影响程度;根据正交试验分析的优化结果,采用单因素变量的方法分析蒙脱石的用量对合成材料吸水性能的影响;通过改变蒙脱石(MMT)的用量,在单体丙烯酸、引发剂过硫酸钾、交联剂N2N'-亚甲基双丙烯酰胺、中和度、温度不变的情况下,合成蒙脱石/聚丙烯酸钠复合高吸水材料;使用装置测量在一定压力下,蒙脱石的用量对复合高吸水性材料吸水膨胀的影响,以及不同的压力对材料吸水膨胀的影响;使用连通器,测量在不同的静水压强下,蒙脱石的用量对高吸水材料咸淡水、淡咸水的反复吸水性能的影响;通过使用X射线衍射仪、红外光谱仪、综合热重分析仪等测试手段,对合成的吸水材料进行表征,对合成的材料进行机理分析。 试验结果表明,NaOH、HC1对蒙脱石悬浮液膨胀性影响不明显,而NaC1和CaCh对蒙脱石悬浮液的膨胀有明显的抑制作用;而且CaC12对蒙脱石膨胀的抑制作用明显强于NaC1,CaC12浓度比NaC1少了一个数量级时即可达到相同的膨胀抑制效果;离子色谱分析显示,CaC12溶液与蒙脱石混合后,悬浮液上清液中的Ca2+浓度减少,而Na+浓度增加,分析存在离子交换过程;经激光粒度分析仪和体视显微镜观察,电解质的加入使颗粒之间产生了团聚作用,改变了颗粒的粒径,从而在宏观上表现为蒙脱石悬浮液体积的减少;天然钠基蒙脱石复合高吸水性材料在咸淡水交替环境下的吸水性能优于有机蒙脱石复合吸水材料;合成的优化条件为丙烯酸单体36g,蒙脱石20wt％、引发剂0.1wt％、交联剂添加量1.2wt％(占丙烯酸单体重量),中和度70％,温度70℃,吸水材料在蒸馏水中吸水率为634.1g/g,3％NaC1溶液中吸水率为38.6g/g,材料的吸水性、反复性、稳定性最好;0.6h之间时,材料的膨胀体积变化很快,膨胀高度X速率变化接近直线,6h后膨胀速度变缓,速率变化呈曲线式增长;当外界压力一定时,MMT添加范围在0wt％-20wt％(占丙烯酸单体质量分数)内时,材料的吸水膨胀能力随MMT含量的增加而增加,材料的凝胶强度提高;而当MMT含量超过20wt％时,压力下复合材料的吸水膨胀能力显著降低;MMT含量为20wt％的合成材料的膨胀能力最好;材料的吸水膨胀能力随外界压力的增加而逐渐降低,较未受压力时的膨胀效果显著降低;不同静水压强下,材料的吸水膨胀能力变化不明显,说明静水压强对于材料的吸水膨胀影响不大;X射线衍射仪、红外光谱仪的测试结果表明,蒙脱石与聚丙烯酸钠树脂发生了化学结合;综合热重分析仪的测试结果表明,蒙脱石的添加提高了复合高吸水性材料的热稳定性。 合成的复合高吸水性材料,其吸水膨胀的能力比单纯使用丙烯酸钠树脂或蒙脱石矿物本身要优良,它结合了丙烯酸树脂的优良的吸水膨胀能力与蒙脱石材料本身的强度高的优点。
高吸水性材料;蒙脱石;聚丙烯酸钠;合成条件;咸淡水环境;膨胀性能
中国海洋大学
硕士
环境工程
彭昌盛
2012
中文
TB332;TQ424.2
73
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）