一种基于交变磁场局域磁热效应的Y型高分子刷磁性纳米正渗透汲取剂及其应用

本发明属于膜法分离领域，具体涉及一种基于交变磁场局域磁热效应的y型高分子刷磁性纳米正渗透汲取剂及其应用。

背景技术：

1、正渗透是一种以膜两侧渗透压差为驱动力的膜分离技术。与反渗透等压力驱动膜过程相比，正渗透过程本身可在较低外加压力下运行，具有膜污染倾向相对较低、适用于低压浓缩和水分迁移过程等特点，因而在含盐水处理、工业废水浓缩、热敏性物料浓缩、食品药品分离和特种纯水提取等领域具有应用潜力。

2、然而，正渗透技术的工程化应用长期受汲取液再生问题的制约。理想汲取液不仅应当提供较高渗透压，还应具备较低反向扩散、良好膜相容性、较低成本、易分离再生和良好循环稳定性。传统小分子盐类汲取液虽然能够提供较高渗透压，但其后续分离再生通常依赖反渗透、纳滤、蒸发、膜蒸馏等过程，容易带来额外能耗和工艺复杂性。

3、已有技术中，磁性纳米颗粒被提出作为可回收正渗透汲取剂，例如采用普通磁性纳米粒子、柠檬酸钠修饰磁性纳米粒子、丙烯酸或聚乙二醇类亲水改性磁性纳米颗粒作为汲取液，并通过外加静态磁场、过滤、纳滤或反渗透等方式实现回收或再浓缩。这类技术证明了磁性纳米颗粒作为正渗透汲取剂的可行性，但其核心通常在于颗粒本身的磁响应或常规亲水改性，尚未从颗粒表面高分子链构型上解决渗透压贡献、分散稳定性和可控聚集回收之间的矛盾。

4、另有技术公开了响应性有机分子或聚合物与无机盐组成的混合汲取液，通过温度、酸碱度或二氧化碳响应以及盐析、水化和静电作用提高渗透压并促进聚合物沉淀再生。这类技术主要调控溶液中聚合物与离子的相互作用，通常不涉及磁性纳米颗粒界面结构，也不涉及通过交变磁场在颗粒局部界面产生磁热以触发聚合物相变聚集的再生方式。

5、对于温敏聚合物修饰的磁性纳米正渗透汲取剂而言，现有方案多采用水浴、换热器或其他外部热源对整个汲取液体系进行全局加热，使宏观水体温度升高至温敏聚合物的低临界溶解温度以上，从而诱导聚合物脱水收缩并促使颗粒聚集。该方式需要加热包括水相在内的整个体系，显热消耗较大，且在连续正渗透循环中容易降低工艺能效。

6、同时，传统磁性纳米颗粒表面的聚合物多为线性包覆、物理吸附、无规共聚或混合接枝结构。亲水链段和温敏链段在同一界面上容易发生缠结、屏蔽或构象干扰，导致亲水链段不能充分伸展，温敏链段响应不充分，从而影响汲取液的有效渗透压、分散稳定性、聚集效率和循环回收性能。

7、综上，现有正渗透磁性纳米汲取液存在以下技术问题：

8、1、现有磁性纳米颗粒汲取液多依赖普通亲水小分子或线性聚合物改性，难以同时兼顾高渗透压贡献、长期分散稳定性和高效回收；

9、2、现有温敏磁性纳米汲取液再生时通常需要对宏观水体进行全局加热，显热消耗较大，能耗较高；

10、3、传统线性、无规或混合包覆聚合物结构中，亲水链段与温敏链段容易相互缠结或屏蔽，导致水化分散功能和温敏聚集功能难以充分发挥；

11、4、现有技术缺少将y型空间解耦高分子刷结构与交变磁场局域磁热再生方式协同结合，从材料结构层面同时调控正渗透汲取和汲取液再生的技术方案。

12、因此，仍有必要提供一种新的功能化磁性纳米正渗透汲取剂，使其在正渗透阶段能够通过两性离子分支维持高水化能力、分散稳定性和渗透压贡献，在再生阶段能够通过磁热响应核心产生的局域磁热触发温敏分支相变聚集，并降低对宏观水体全局加热的依赖。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于交变磁场局域磁热效应的y型高分子刷磁性纳米正渗透汲取剂及其应用。

2、一种基于交变磁场局域磁热效应的y型高分子刷磁性纳米正渗透汲取剂，其包括磁热响应核心、包覆于所述磁热响应核心表面的无机界面隔离层以及共价接枝于所述无机界面隔离层外表面的y型分叉高分子刷；

3、所述的y型分叉高分子刷包括与所述无机界面隔离层共价接枝连接的表面锚定单元，以及由所述表面锚定单元分别延伸出的第一聚合物分支和第二聚合物分支；

4、所述第一聚合物分支为两性离子聚合物分支；

5、所述第二聚合物分支为温敏聚合物分支。

6、一种基于交变磁场局域磁热效应的y型高分子刷磁性纳米正渗透汲取剂的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

7、步骤一、制备磁热响应核心@sio2核壳纳米颗粒：

8、将10g 磁热响应核心纳米颗粒超声分散于100ml~500ml无水乙醇、去离子水和质量分数为25%的氨水的混合溶液中，滴加5ml~20ml前驱体，室温下搅拌2h~6h进行溶胶-凝胶反应，再磁分离并使用去离子水洗涤3次，干燥，得到表面富含硅羟基的磁热响应核心@无机界面隔离层核壳纳米颗粒；

9、步骤一中所述的磁热响应核心为fe3o4、γ-fe2o3、mnfe2o4、cofe2o4、znfe2o4中的一种或多种；

10、步骤一中所述的磁热响应核心的平均粒径为5nm~50nm；

11、步骤一中所述的无水乙醇、去离子水和质量分数为25%的氨水的混合溶液中无水乙醇、去离子水和质量分数为25%氨水的体积比为(40~80):(10~30):(1~5)；

12、步骤一中所述的前驱体为正硅酸乙酯、钛酸四丁酯或氧氯化锆；

13、步骤二、y型atrp双功能引发剂的表面锚定：

14、将5~20g表面富含硅羟基的磁热响应核心@无机界面隔离层核壳纳米颗粒分散于50ml~200ml无水甲苯中，加入2ml~10ml 3-氨基丙基三乙氧基硅烷，在80℃~120℃下回流反应8h~24h进行氨基化，过滤，得到氨基化磁热响应核心@无机界面隔离层核壳纳米颗粒；在无水无氧的环境中，将5~20g氨基化磁热响应核心@无机界面隔离层核壳纳米颗粒分散到50ml~200ml二氯甲烷中，再加入2ml~10ml三乙胺，在冰水浴下滴加2ml~8ml卤代酰卤，再在室温下反应12h~24h，过滤，水洗3次，干燥，得到表面共价接枝y型atrp引发基团的磁热响应核心@无机界面隔离层-br颗粒；

15、步骤二中所述的卤代酰卤为2-溴异丁酰基、2-溴丙酰基或2-氯异丁酰基；

16、步骤三、接枝第一聚合物分支：

17、将2g表面共价接枝y型atrp引发基团的磁热响应核心@无机界面隔离层-br颗粒置于schlenk反应瓶中，加入10g两性离子单体、cubr和两性离子单体的配体，采用冷冻-抽气-解冻循环三次严格除氧；在室温下反应6h~24h，再使用去离子水和甲醇交替洗涤，除去未反应单体和催化剂，得到磁热响应核心@无机界面隔离层-第一聚合物分支-br颗粒；

18、步骤三中所述的两性离子单体为磺酸甜菜碱甲基丙烯酸酯、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、羧酸甜菜碱甲基丙烯酸酯、磺基甜菜碱丙烯酰胺、羧基甜菜碱丙烯酰胺、氧化三甲胺甲基丙烯酸酯中的一种或多种；

19、步骤三中所述的两性离子单体的配体为五甲基二乙烯三胺、联吡啶、三[2-(二甲基氨基)乙基]胺；

20、步骤三中所述的两性离子单体、cubr和两性离子单体的配体的摩尔比为(50~200):1:1；

21、步骤四、接枝第二聚合物分支：

22、将1g~5g磁热响应核心@无机界面隔离层-第一聚合物分支-br颗粒转移至schlenk管中，加入5g温敏单体、cucl及温敏单体的配体，得到混合液；向混合液中加入等体积的水或无水甲醇进行混合，再除氧后于室温反应8h~24h，反应后水洗3次，干燥，得到基于交变磁场局域磁热效应的y型高分子刷磁性纳米正渗透汲取剂；

23、步骤四中所述的温敏单体为n-异丙基丙烯酰胺、n-乙烯基己内酰胺、2-烷基-2-噁唑啉、乙烯基甲基醚；

24、步骤四中所述的温敏单体的配体为三[2-(二甲基氨基)乙基]胺、联吡啶、五甲基二乙烯三胺或三苯基膦；

25、步骤四中所述的温敏单体、cucl和温敏单体的配体的摩尔比为(50~200):1:1。

26、利用一种基于交变磁场局域磁热效应的y型高分子刷磁性纳米正渗透汲取剂在正渗透分离技术中分离待处理水相，获得再生水；所述的待处理水相为含盐水、苦咸水、工业废水、染料废水、热敏性物质水溶液、生物活性物质水溶液、食品或药品浓缩液或含有机物水溶液。

27、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

28、第一，本发明并非简单采用磁性纳米颗粒作为正渗透汲取剂，而是构建了由磁热响应核心、无机界面隔离层和y型分叉高分子刷组成的层级功能结构，有利于提高磁性纳米正渗透汲取剂的界面稳定性和可调控性；

29、第二，本发明采用y型分叉高分子刷结构，使两性离子聚合物分支和温敏聚合物分支从表面锚定单元分别延伸，在空间上实现功能分离；两性离子聚合物分支主要承担水化、分散和渗透压贡献功能，温敏聚合物分支主要承担刺激响应和聚集触发功能，从而减少传统线性或无规聚合物结构中不同链段之间的构象干扰；

30、第三，本发明将交变磁场诱导的磁热效应用于正渗透汲取剂的再生过程，使磁热响应核心在纳米颗粒界面附近产生局域热效应，触发温敏聚合物分支脱水收缩和颗粒聚集；该过程不需要将整个宏观水体加热至低临界溶解温度以上，可减少对全局加热的依赖；

31、第四，本发明中的两性离子聚合物分支可形成稳定水化层，提高功能化磁性纳米颗粒在水相中的分散稳定性，并有助于降低其在正渗透膜上的非特异性吸附和反向汲取剂泄漏风险；

32、第五，本发明通过交变磁场局域磁热聚集和静态磁场分离的组合，可在较短时间内回收功能化磁性纳米颗粒；在撤去交变磁场并重新分散后，温敏聚合物分支恢复水化状态，有利于汲取液循环使用。