凤眼莲改性制备土壤改良型高吸水性树脂的研究

摘要

利用凤眼莲中的纤维素，采用复合引发剂体系——过硫酸钾(KSB)/亚硫酸氢钠、硝酸铈铵(CAN)，引入两种单体——丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)进行接枝共聚，采用N，N-亚甲基双丙烯酰胺轻度交联(MBA)，制备出的土壤改良用途的高吸水性树脂(SAR)具备良好的吸水、保水、凝胶强度等性能。该高吸水性树脂能够很好的改善土壤的理化性质，并对高吸水性树脂的复合化、耐盐性、降解性、低成本等方面作出探索。 研究了不同改性方式对风眼莲成分、表面形态、结晶度的影响及对其制备高吸水性树脂性能的影响；通过一系列均匀实验探讨了合成条件中诸多因素对树脂接枝效率、吸水倍率的影响，并得出了最佳反应条件；对最佳条件下制备的高吸水性树脂进行了性能研究；利用红外光谱、X-射线衍射、晶相显微镜、扫描电镜、示差扫描量热仪对改性前后的凤眼莲及高吸水性树脂的结构、形态、热性能进行了表征。 结果表明： 一、不同改性方式对粉碎后凤眼莲的成分有不同影响。 首先用盐酸水解．乙醚索氏提取法去掉微量的粗脂肪，用消化-蒸馏法去掉少量的粗蛋白，然后用不同的改性方法对凤眼莲进一步纯化和活化。 (1)酸法：1mol/L硝酸在100℃降解2.5～3.5h只能去除大量的半纤维素、部分木质素灰分。 (2)碱法：W<,NaOH>=10％的水溶液室温浸泡2～3d处理没有明显效果。 (3)碱蒸煮：W<,NaOH>=14％的水溶液、150℃、0.6MPa、保温时间45min能有效除去木质素灰分、半纤维素。通过红外光谱、X-衍射、晶相显微镜进一步证实了各种改性方式对凤眼莲纤维素的纯化活化效果。 二、风眼莲复合处理法制备出的树脂吸水倍率较理想。同上，先将风眼莲中少量的粗脂肪和粗蛋白去除。 (1)W<,NaOH>=10％的水溶液室温浸泡2～3d处理后用1mol/L硝酸在100℃下降解1.5～2.0h； (2)W<,NH<,3>H<,2>O>=10％的氨水室温24h浸泡处理后用1mol/L硝酸在100℃下降解1.0～1.5h; (3)W<,NaOH>=14％的水溶液、150℃、0.6MPa、保温时间45min后用1mol/L硝酸在100℃降解0.5～1.0h；探索出各复合处理方式最佳降解时间分别为60min、45min、30min；吸水倍率分别为149倍、198倍、286倍。 三、高吸水性树脂合成的最佳条件：中和剂为NaOH，单体与凤眼莲粉末质量比为6；交联剂MBA用量为单体质量的1.66％；AA中和度为40％.引发剂为氧化还原体系。引发剂中过硫酸钾为单体质量的1.16％，且m<,CAN>：m <,KSB>=1：5，m<,NaHSO<,3>>：m <,KSB>=1：3；反应时间4h；前期反应温度45 ℃，后期反应温度75℃；单体浓度1.6mol/L；m<,AA>：m<,AA>=3：1；引发剂分散时间45min；烘干温度70 ℃。 四、在最佳制备工艺条件下制备的高吸水性树脂其吸水倍率达450倍吸水速率快，10min左右即能达到饱和量的91％，其动力学类型结果为CaseⅠ类型，高分子链在水中伸展迅速占主导地位。高吸水性树脂保水性能好，土壤抑蒸效果明显；重复利用性能突出，使用8次后树脂吸水倍率仍达210余倍，适合重复利用；稳定性好，不易霉变。 五、高吸水性树脂的接枝效率为50.5％，单体转化率为86％，通过红外光谱确定了其凤眼莲接枝AA/AM结构的生成；DSC分析表明，高吸水性树脂具有良好的耐热性，玻璃化温度在113.45℃；通过扫描电镜观察到高吸水性树脂端面存在许多细孔、蜂窝结构，表面有大量呈“岛屿”状物，具备高聚物吸水的微观结构。 六、采用普通草地土壤，挖取1m深的土壤剖面，用铅盒和环刀分层采取0～20cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm深度土壤样品。将制备出的高吸水性树脂分别混入每一土层。通过对加入高吸水性树脂和未加入高吸水性树脂不同土层土壤理化性质的分析，得出该高吸水性树脂具有良好的土壤改良性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2高吸水性树脂的研究进展

1.2.1高吸水性树脂的结构

1.2.2高吸水性树脂的分类及特点

1.2.3高吸水性树脂的吸水机理

1.2.4高吸水性树脂的性能及改进方法

1.2.5高吸水性树脂在土壤改良中的应用

1.2.6高吸水性树脂的发展趋势

1.3纤维素类高吸水性树脂的制备方法

1.3.1制备途径

1.3.2聚合方法

1.4本课题的研究内容和意义

1.4.1本课题的研究内容

1.4.2本课题的研究意义

2实验试剂、仪器及测试方法

2.1实验原料、试剂、仪器

2.2测试方法

2.2.1结构与表征

2.2.2预处理后凤眼莲的成分分析

2.2.3凤眼莲的表面形态观察

2.2.4凤眼莲的结晶度测定

2.2.5高吸水性树脂的性能测定方法

3预处理方式对制备高吸水性树脂的影响

3.1凤眼莲的预处理

3.2 SAR形成条件的初步探讨

3.2.1单体的选择

3.2.2交联剂的选择

3.2.3引发剂的选择及纤维素接枝共聚机理

3.3实验部分

3.3.1凤眼莲预处理的实验方法

3.3.2高吸水树脂的合成

3.4结果与讨论

3.4.1预处理前后凤眼莲成分的变化

3.4.2预处理方式对凤眼莲形态的影响

3.4.3预处理前后凤眼莲的红外谱图分析

3.4.4预处理前后凤眼莲的X-衍射分析

3.4.5凤眼莲预处理方式对SAR的吸液性能影响

3.5本章小结

4凤眼莲接枝共聚AA/AM合成实验的优化设计

4.1实验部分

4.1.1初始设置的制备流程

4.1.2初步确定的合成工艺

4.2合成条件的详细探讨

4.2.1实验参数

4.2.2引发剂

4.2.3单体

4.2.4加料方式

4.2.5丙烯酸中和度对吸液率的影响

4.2.6反应温度的确定

4.2.7合成工艺的确定

4.3单因素实验

4.3.1单体AA/AM与凤眼莲质量比对吸液倍率的影响

4.3.2交联剂用量对吸液倍率的影响

4.4最佳合成条件的验证

4.5本章小结

5凤眼莲接枝AA/AM产物SAR的性能研究及表征

5.1SAR的性能测试

5.1.1吸水倍率

5.1.2吸水速率的测定

5.1.3保水能力的测定

5.1.4再生能力

5.1.5抗盐性

5.1.6其它性能

5.1.7SAR接枝反应中的参数

5.2 SAR的表征

5.2.1高吸水性树脂的红外谱图

5.2.2高吸水性树脂的电镜图

5.2.3树脂的耐热性能

5.3本章小结

6高吸水性树脂对土壤理化性质的影响

6.1取样

6.2测定

6.2.1土壤物理性状的测定

6.2.2土壤化学性状的测定

6.3本章小结

7结论及展望

7.1结论

7.2创新点

7.3展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录