复合水凝胶及其制备方法和可视化检测甲醛的方法

技术领域

本发明涉及水凝胶技术领域，具体而言，涉及一种可视化检测室内甲醛的复合水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

据研究，大气中存在有600多种VOCs ，具有浓度低、活性强等特点，对大气环境造成严重污染，也是大家最深恶痛决的污染。比如，甲醛属于大气中的挥发性有机物 （VOCs），是形成臭氧和PM2.5的重要前体物、是导致城市灰霾和光化学烟雾的重要前体物。室内甲醛污染可能引发癌症、白血病、儿童发育畸形、免疫力下降、不孕不育、呼吸道疾病、妊娠综合症等疾病。当室内甲醛浓度达到0.5mg/m

甲醛检测领域中常用的是分光光度法、电化学法、传感器法和色谱法，这些方法存在操作复杂的缺陷，因此，有必要对甲醛检测技术进一步进行完善，目前还未有利用水凝胶可视化检测大气中VOCs的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种复合水凝胶及其制备方法和应用，至少达到快速、简便、可视化检测室内甲醛的目的。

为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将荧烷紫染料、纳米二氧化钛加入到丙酮溶液获得第一溶液；将琼脂糖加入到蒸馏水中获得第二溶液；以上原料在复合水凝胶中的质量百分比为：琼脂糖1.41-1.61%、荧烷紫染料0.006-0.01%、纳米二氧化钛0.03-0.1%、丙酮7.29-8.04%和蒸馏水90.4-91%；

步骤二，将第一溶液和第二溶液混合后，在反应温度70-100℃条件下搅拌至琼脂糖完全溶解获得混合溶液；

步骤三，将混合溶液倒入模板中静置，冷却至凝胶定型。

进一步地，步骤一中，所述蒸馏水是中性或弱碱性蒸馏水。

进一步地，步骤二中，所述反应温度为90℃。

进一步地，步骤二中，搅拌时间为30min，转速为450rpm。

进一步地，步骤三中，凝胶定型后用打孔器制成直径为1cm±0.1cm的圆片。

进一步地，步骤三中，将获得的圆片浸泡于超纯水中恒温振荡。

根据本发明的另一方面，提供以上所述方法制备获得的复合水凝胶。

根据本发明的另一方面，提供的是以上所述复合水凝胶在可视化检测甲醛中的应用。

根据本发明的另一方面，提供一种可视化检测甲醛的方法，将以上所述的复合水凝胶放置在待检测环境中，观察观察复合水凝胶颜色，若甲醛浓度过高则复合水凝胶呈现紫色。

本发明所述的复合水凝胶的制备方法步骤简单，成本低廉，不需要大量的人力物力。

本发明所述的复合水凝胶是一种便携式可视化检测室内大气中VOCs的复合水凝胶，用于检测空气中的甲醛，该检测方法具有选择性好和操作简单等优点，有助于控制甲醛的排放和查找污染源。

附图说明

图1为在两份相同量的荧烷紫染料分别加入等量的丙酮和无水乙醇所制备的溶液。

图2为仅含有荧烷紫染料的琼脂糖水凝胶（不含纳米二氧化钛）。

图3为将图2的水凝胶分别浸泡在pH为3的甲酸溶液、滴加500微升pH为3的甲酸溶液、浸泡在蒸馏水（中性或弱碱性）后得到的结果。

图4为复合水凝胶中加入过多纳米二氧化钛时，在复合水凝胶上分别滴加50微升pH为4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0的甲酸溶液以及中性蒸馏水，水凝胶不变色。

图5为实施例1制备出的能够可视化检测甲醛的复合水凝胶。

图6、图7、图8为将图5所述的水凝胶圆片每个分别滴加50微升中性水（四片共200微升）、50微升稀释后的甲酸（浓度约为1*10-3mol/L）、50微升甲醛以及不滴加任何液体后的结果。

图9为在中性水中浸泡3d的水凝胶圆片，分别滴加50微升甲醛、50微升稀释后的甲酸（浓度约为1*10

图10为将图9所得水凝胶圆片放置1d后的结果。

具体实施方式

本发明提供一种复合水凝胶的制备方法，是将琼脂糖、荧烷紫染料、二氧化钛、丙酮和蒸馏水混合均匀，接下来冷却至凝胶定型、用打孔器制成圆片，最后浸泡于超纯水中恒温振荡得到复合水凝胶，该复合水凝胶用于可视化检测甲醛。

根据以上所述方法制备获得的复合水凝胶，应用其可视化检测甲醛的原理是空气中的甲醛进入所制备的复合水凝胶后在光催化剂纳米二氧化钛的作用下被催化氧化为甲酸，甲酸与荧烷紫染料发生显色反应使整个水凝胶呈现紫色。

上述符合水凝胶相对具体的制备步骤如下所述：

步骤一，将荧烷紫染料、纳米二氧化钛加入到丙酮溶液获得第一溶液；将琼脂糖加入到蒸馏水中获得第二溶液；以上原料在复合水凝胶中的质量百分比为：琼脂糖1.41-1.61%、荧烷紫染料0.006-0.01%、纳米二氧化钛0.03-0.1%、丙酮7.29-8.04%和蒸馏水90.4-91%。优选的各原料的质量百分比为琼脂糖1.51%、荧烷紫染料0.007%、纳米二氧化钛0.05%、丙酮8.04%和蒸馏水90.4%。

其中，荧烷紫染料在显色反应中发色敏锐、稳定性高、强度大，荧烷紫染料遇酸会与酸反应，内酯环开裂而发色。荧烷染料不溶于水，溶于无水乙醇后溶液呈紫色会对后续显色反应造成影响；而荧烷紫染料溶于丙酮后得到的溶液不显紫色，不会对后续显色反应造成影响（如图1所示）。

纳米二氧化钛作为光催化剂下，在其作用下甲醛被催化氧化为甲酸。光催化剂纳米二氧化钛加入量不宜过多。因为纳米二氧化钛粘附力强、不易起化学反应、具有极高的不透明度、永远是白色，同时具有良好的紫外线屏蔽效果以及良好的分散性和耐候性。若水凝胶中加入过多二氧化钛时，会对甲酸与荧烷紫染料的显色反应造成影响（如图4所示）。

所述蒸馏水是中性或弱碱性蒸馏水，以防制备复合水凝胶的过程中荧烷紫染料与酸性物质反应而使复合水凝胶显紫色，无法再用于可视化检测甲醛。

步骤二，将第一溶液和第二溶液混合后，在反应温度70-100℃条件下搅拌至琼脂糖完全溶解获得混合溶液。

该步骤中，在70-100℃条件下水浴搅拌一段时间，搅拌直至琼脂糖粉末完全溶解。优选的水浴加热温度为90℃，搅拌时间为30min，转速为450rpm。搅拌过程中为防止溶液蒸发，可用保鲜膜封口。

步骤三，将混合溶液倒入模板中静置，冷却至凝胶定型。

凝胶定型后用打孔器制成直径为1cm±0.1cm的圆片。将获得的圆片浸泡于超纯水中恒温振荡，以去除孔径中分散的凝胶碎片。

所述的模板和打孔器的尺寸可以任意选择。

水凝胶是安全且可生物降解的材料，在其三维(3D)聚合物网络结构中含有大量水，具有多孔性、亲和性和生物相容性。离子相互作用和氢键使水凝胶相互交联，促进其存水中的不溶性，同时还为聚合物水凝胶提供必要的机械强度和物理完整性。由于其独特的优点，如柔软性、智能性、柔韧性、吸湿性、生物降解性、高吸水性，水凝胶具有较大潜能而大量使用。本发明提供的复合水凝胶可视化监测法由于操作简单、成本低廉和选择性好等优点更适合甲醛检测领域。

复合水凝胶在实际检测场景中的检测方法以及检测效果：将复合水凝胶直接放置在实际检测场景中一干净区域，放置1d后观察复合水凝胶颜色。若室内甲醛浓度过高复合水凝胶会呈现紫色，且甲醛浓度越高，复合水凝胶所显紫色越深。

下面结合一些实施例对本发明要求保护的技术方案做进一步说明，除非另有说明，实施例中体积的材料均可从公开商业市场获得。

实施例1

称取0.0007g荧烷紫染料、0.005g纳米二氧化钛加入到1mL丙酮溶液中；称取0.15g琼脂糖加入9mL蒸馏水（中性或弱碱性），再加入前期制备的含荧烷紫染料和纳米二氧化钛的丙酮溶液，在90℃条件下水浴搅拌，搅拌直至琼脂糖粉末完全溶解，趁热倒入1mm模板中静置，冷却至凝胶定型。再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖水凝胶，然后浸泡于超纯水中恒温振荡，去除孔径中分散的凝胶碎片。

实施例2

称取0.0006g荧烷紫染料、0.003g纳米二氧化钛加入到0.7954mL丙酮溶液中；称取0.141g琼脂糖加入9.06mL蒸馏水（中性或弱碱性），再加入前期制备的含荧烷紫染料和纳米二氧化钛的丙酮溶液，在70℃条件下水浴搅拌30min，转速为450rpm，搅拌直至琼脂糖粉末完全溶解，趁热倒入1mm模板中静置，冷却至凝胶定型。再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖水凝胶，然后浸泡于超纯水中恒温振荡，去除孔径中分散的凝胶碎片。

实施例3

称取0.001g荧烷紫染料、0.01g纳米二氧化钛加入到0.729mL丙酮溶液中；称取0.161g琼脂糖加入9.099mL蒸馏水（中性或弱碱性），再加入前期制备的含荧烷紫染料和纳米二氧化钛的丙酮溶液，在100℃条件下水浴搅拌30min，转速为450rpm，搅拌直至琼脂糖粉末完全溶解，趁热倒入1mm模板中静置，冷却至凝胶定型。再用打孔器制成直径为1cm的圆片，即琼脂糖水凝胶，然后浸泡于超纯水中恒温振荡，去除孔径中分散的凝胶碎片。

图5所示为实施例1制备获得复合水凝胶。图6、图7、图8为将图5所示的水凝胶圆片每个分别滴加50微升中性水（四片共200微升）、50微升稀释后的甲酸（浓度约为1*10

图9为按照实施例1制备出的能够可视化检测甲醛的复合水凝胶，并将其分为三份，分别将其浸泡在中性水中、每个圆片滴加50微升中性水、不加任何液体，三种环境下的水凝胶均静置3d。3d后取出三个在中性水中浸泡3d的水凝胶圆片，三个圆片分别滴加50微升甲醛、50微升稀释后的甲酸（浓度约为1*10