蔗渣纤维素疏水改性及纤维素基水凝胶的制备及应用

摘要

21世纪随着社会经济的高速发展，世界正面临着环境、能源、材料等领域空前挑战。植物纤维素是一种廉价、量广、易降解、生物相容性好的天然高分子。但纤维素分子间和分子内氢键和纤维素表面基团过于单一，致使纤维素应用受限，尤其在复合材料和废水处理领域。
　　目前控制工业废水中重金属排放法规越来越严厉，各种去除重金属离子方法被大量使用，如化学沉淀、离子交换、吸附、纳滤、超滤、反渗透、电化学、电渗析等方法。目前吸附是一种有效、经济的方法，由于简单、有效、易操作和可重复使用等优点而被广泛研究。为提高植物纤维素对重金属离子的吸附量，本文采用环氧氯丙烷、乙二胺、二硫化碳对纤维素进行改性。将改性后的纤维素衍生物与羧甲基纤维素钠(CMC-Na)溶于氢氧化钠/硫脲体系后，用环氧氯丙烷进行交联得到纤维素基水凝胶吸附剂。讨论了初始浓度、pH、离子强度、温度对吸附剂吸附性能的影响。单组分吸附曲线表明Pb2+、Cu2+、Zn2+满足Langmuir等温吸附模型且最大吸附量分别是558.9、446.2、363.3 mg· g-1，吸附过程满足拟二级吸附动力学且为自发放热过程。在双组分系统中采用Competitive Langmuir isotherm模型模拟数据，结果显示实验数据和模拟数据间的误差均小于20％，表明该模型可对双组份重金属离子吸附进行较准确的预测。FTIR、SEM-EDAX、ICP-OES表明该吸附机理包括配位、离子交换、静电吸附等作用。
　　为解决纤维素与树脂复合材料相界面“不相容”的问题。本文采用以苯乙烯(St)和己酸烯丙酯(AH)为核层共聚单体，丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸丁酯(BMA)、甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)为壳层共聚单体，以十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)为乳化剂，2，2-偶氮二（2-甲基丙基咪）二盐酸盐(AIBA)为引发剂，二甲基丙烯酸乙二醇酯(EDGMA)为交联剂制备出“硬核软壳”的核壳型阳离子乳液。透射电镜(TEM)、动态光散射多角度粒径、Zeta电位分析仪测试结果表明制备的乳液粒径分布较宽(PDI=0.314)，平均粒径84.95 nm，Zeta电位32.8 mv。在吸附过程中乳胶粒子分布较宽致使出现两段吸附。第一段符合拟一级动力学吸附模型，第二段符合拟二级动力学吸附模型。活化能表明吸附过程先是物理吸附后是化学吸附。在高浓度下的活化能较高且吸附速率小于低浓度的吸附速率，表明了该过程受活化控制。在低浓度下活化能较小，吸附速率较大则为扩散控制。当额外补加乳化剂时，低浓度下吸附率由60％增大到90％以上。通过红外(FTIR)、扫描电镜(SEM)、热重(TGA)、比表面积仪(BET)、接触角表明乳胶粒被成功的吸附在纤维素表面。在303 K时纤维素对乳胶粒的饱和吸附量520 mg·g-1。改性纤维素的接触角随吸附量的增加随之增大。当吸附量为196 mg·g-1时纤维素的接触角为102°，表明疏水性纤维素制备成功。纤维素在吸附过程中以静电吸附为主，共价和非共价作用（例如氢键、离子交换、电荷转移、链的缠绕）为辅进行吸附。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 植物纤维素组成

1．3 植物纤维素纤维的应用及应用中存在的问题

1．3．1 纤维素凝胶

1．3．2 纤维素基树脂

1．3．3 导电纤维素

1．3．4 其它

1．4 本课题研究意义及内容

1．4．1 本课题研究目的及意义

1．4．2 本课题研究内容

第二章 纤维素基水凝胶的制备

2．1 引言

2．2 实验试剂和仪器

2．3 实验部分

2．2．1 环氧化纤维素(ESB)的制备

2．2．2 胺化纤维素(ASB)的制备

2．2．3 黄原酸酯纤维素(SSB)的制备

2．2．4 水凝胶的制备

2．3 结构表征

2．3．4 水凝胶溶胀率的测试

2．4 结果分析与讨论

2．4．1 环氧化纤维素的制备

2．4．2 胺化纤维素的制备

2．4．3 FTIR

2．4．4 SEM

2．4．5 水凝胶溶胀率测试

2．5 本章小结

第三章 纤维素基水凝胶对重金属离子的吸附性能研究

3．1 引言

3．2 实验材料与仪器设备

3．2．1 实验药品

3．2．2 主要实验仪器

3．3 实验部分

3．3．1 单一金属离子的吸附

3．3．2 竞争吸附

3．3．3 吸附剂的再生

3．3．4 表征

3．4 结果分析与讨论

3．4．1 单一金属离子的吸附

3．4．2 吸附剂的表征

3．4．3 单一金属离子吸附动力学

3．4．2 等温吸附模型

3．4．3 吸附剂的再生

3．5 吸附j饥理

3．6 本章小结

第四章 核壳乳液对蔗渣纤维素的疏水改性及吸附动力学研究

4．1 引言

4．2 实验材料与仪器设备

4．2．1 实验药品

4．2．2 主要实验仪器

4．3 核壳乳液的制备

4．4 结构表征及性能测试

4．4．1 固含量的测定

4．4．2 乳液粒径测试(DLS)

4．4．3 Zeta电位测试

4．4．8 静态接触角测试

4．4．9 热重分析(TGA)

4．4．10 吸附性能测试

4．4．11 吸附动力学

4．5 结果分析与讨论

4．5．1 乳液的表征

4．5．2 pH对乳液Zeta电位和粒径的影响

4．5．3 KCl浓度对乳液Zeta电位和粒径的影响

4．5．4 纤维素对乳液的吸附性能

4．5．5 乳液对蔗渣纤维素疏水改性的表征

4．5．6 吸附动力学

4．5．7 活化能的计算

4．6 吸附机理

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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