亲水型丝瓜络基材料的制备及其性能研究

摘要

近年来，重金属离子污染严重威胁人类的生态环境和健康水平。在众多处理方法中，利用吸附剂吸附是最有效去除水体中重金属离子的一种方法。本论文以天然材料丝瓜络为研究对象，利用其富含纤维素和多孔的特点，采用氧化还原引发体系，成功在丝瓜络上接枝聚合，得到亲水型丝瓜络。深入研究了反应条件对吸水性能和吸附重金属离子性能的影响，筛选出优化的制备条件，得到性能优良的吸水/吸附材料，为其在相关领域的广泛应用奠定基础。
　　首先，采用氢氧化钠溶液处理初始丝瓜络可有效去除其表面的木质素和半纤维素，通过对碱液浓度（0-10mol/L）、碱化温度（0-100℃）和碱化时间（0-24h）的研究，筛选出较优化的碱化处理条件，即CNaOH=1mol/L,12h,50oC。该处理过程是下一步成功进行接枝聚合的基础。
　　研究了[Ce]/[OH]和[AM]/[OH]比例、反应温度和反应时间对丝瓜络接枝聚丙烯酰胺的接枝率（GP）和接枝效率（GE）的影响，发现随[Ce]/[OH]比例的增加，GP和GE先增加后下降，一般来说，增加铈盐比例会提高接枝位点的数目，但在没有足够的硝酸时，高的[Ce]/[OH]投料比会导致铈盐引发剂的水解，减少接枝位点。而且，自由基氧化终止反应将占主导，竞聚反应更倾向于形成均聚物。增加[AM]/[OH]比例，即增加体系单体含量，也就增加了单体在接枝位点接触几率，促进了接枝反应的进行。但是同时，高的[AM]/[OH]投料比也会增大均聚反应几率，使其占主导地位，即丙烯酰胺更容易形成均聚物；而且随着接枝聚合反应的进行，体系粘度也会增加，阻碍了自由基的运动，降低了丙烯酰胺分子从水溶液相到丝瓜络接枝位点的扩散。而且链转移和链终止反应的可能性增加。因此，在高的[AM]/[OH]投料比下，GP和GE呈现降低的趋势。随反应温度增加，GP和GE先增加后急剧下降。这是因为铈盐的分解速率随着温度上升而增加，在丝瓜络表面上产生了更多的接枝位点引发接枝聚合，同时单体分子从水相扩散到活性位点的扩散速率也在增加。但高于25℃，更易引起链终止和链转移反应，并且增加了均聚反应的竞聚率，导致GP和GE急剧下降。延长反应时间，GP和GE逐渐增加，到24h以后都保持在一个相对稳定的水平。
　　接枝聚丙烯酰胺的丝瓜络在碱性条件下水解，得到亲水型丝瓜络(luffa-g-(PAM-co-PAANa))，水解度约为21％。初始、碱化、接枝和水解后丝瓜络都表现出快速吸水动力学过程，准二级动力学方程适于描述该动力学过程。亲水型丝瓜络表现出高的饱和吸水量，可达75g·g-1，主要源于水解样品的聚合物链上COO-离子间的相互静电排斥作用。
　　研究了亲水型丝瓜络对水体中重金属离子Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的吸附行为，准二级动力学方程适于描述亲水型丝瓜络吸附动力学过程，饱和吸附量随着接枝率增加而增加。在单离子体系，对Cu2+和Pb2+的最大饱和吸附量分别为647mg·g-1和887mg·g-1。采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型拟合实验数据表明，亲水型丝瓜络对Cu2+和Pb2+的吸附为单层吸附。8次吸附-解吸附循环实验发现，饱和吸附量基本保持恒定。
　　亲水型丝瓜络不仅具有较高的饱和吸水量，而且对重金属离子表现出优良的吸附性能，它能通过简单洗脱过程循环使用，表明了优异的循环使用性能，是一种很有前途的用于治理水体系中重金属离子污染的吸附剂。

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第一章 绪 论

1.1 丝瓜络及其研究现状

1.1.1 丝瓜络的研究现状

1.1.2 丝瓜络复合材料的研究现状

1.2 纤维素及其结构

1.2.1 纤维素的结构

1.2.2 纤维素的聚集态结构

1.3 纤维素的预处理

1.3.1 物理方法预处理

1.3.2 化学方法预处理

1.3.3 生物方法预处理

1.4 纤维素功能化

1.4.1 纤维素改性方法

1.4.2 功能化纤维素的应用

1.5本论文的设计思想

第二章 亲水型丝瓜络的制备及其吸水性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 原料及试剂

2.2.2 实验仪器与设备

2.2.3 丝瓜络碱化处理

2.2.4 碱化丝瓜络接枝聚丙烯酰胺

2.2.5 接枝在丝瓜络上的聚丙烯酰胺的水解

2.2.6 吸水动力学及其吸水性能的测定

2.2.7 表征方法

2.3 结果与讨论

2.3.1丝瓜络的表面形貌及化学结构表征

2.3.2 优化碱化处理条件

2.3.3 接枝丝瓜络（luffa-g-PAM）的接枝率和接枝效率

2.3.4 吸水动力学

2.3.5 饱和吸水量

2.3.6 吸水机理

2.4 本章小结

第三章 亲水型丝瓜络对水中重金属离子的吸附

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 原料及试剂

3.2.2 实验仪器与设备

3.2.3亲水型丝瓜络的制备

3.2.4重金属离子吸附实验

3.2.5亲水型丝瓜络吸附选择性

3.2.6解吸附和循环实验

3.2.7表征方法

3.3.结果与讨论

3.3.1丝瓜络的表面形貌及化学结构

3.3.2丝瓜络在单离子体系的吸附动力学

3.3.3 丝瓜络在单离子体系中的饱和吸附量

3.3.4 等温吸附动力学

3.3.5 丝瓜络在双离子体系中的饱和吸附量

3.3.6解吸附和循环使用能力

3.4本章小结

第四章 结 论

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间研究成果