加拿大一枝黄花制备吸着性材料的研究与应用

摘要

加拿大一枝黄花(Solidago Canadensis L.)原产于北美，1935年作为观赏植物引入我国，20世纪80年代后已在我国沿海地区十多个省市迅速扩散蔓延，严重威胁到我国农业生产、绿化及生态环境，导致分布区生物多样性显著下降，对此，至今尚未找到安全有效的控制措施。然而，该入侵植物纤维素的含量占干重的36％～45%，经元素分析其含氧量达50%，含氧官能团能够进行化学改性。在加拿大一枝黄花大规模分布而难以控制时，本文选择其作为制备环保吸着性材料的优质原料，以达到资源化利用并控制其进一步蔓延的目的。
　　 本文根据加拿大一枝黄花茎秆的成分组成，采用不同的方法分别制备高吸水性树脂、高吸油性树脂和两性吸附材料，并对其产物进行扫描电镜和红外光谱表征，将其分别应用于吸收生理盐水、模拟人工尿液、吸收甲苯模拟废水、吸附含Cr(VI)和F-的模拟废水以及通过不同吸附剂配比处理染料废水，主要内容包括以下几个部分：
　　 (1)加拿大一枝黄花基高吸水性树脂的制备与性能测试。利用NaOH和HNO3对加拿大一枝黄花茎秆粉碎物进行预处理，再经丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)接枝共聚。结果表明：当丙烯酸单体与纤维素比为12:1、反应温度为75℃、引发剂K2S2O8用量为单体的2.8%、交联剂MBA用量为单体的0.0694%、AA中和度为75%时，得到的高吸水性树脂的吸水倍率最大，为556.8 g·g-1，吸生理盐水倍率为73.7 g·g-1。在常温下，对树脂进行保水率测试，48h保水率可达76%。吸收模拟人工尿液达到饱和吸收态时，可吸收65.5mL·g-1的人工尿液。
　　 (2)加拿大一枝黄花基高吸油性树脂的制备与性能测试。以加拿大一枝黄花茎秆为原料，甲基丙烯酸甲酯(MMA)和甲基丙烯酸正丁酯(BMA)为单体，过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂，明胶为分散剂，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为交联剂，采用悬浮聚合法制得吸油树脂。最佳制备条件为：MMA：BMA质量比为0.75:1、BPO质量分数为0.7%、CTAB质量分数为1.2%。得到的树脂在45℃温度下吸葵花籽废油的倍率达到最大，为21.036 g·g-1。通过对树脂的保油性能和再生性能测试表明：树脂的保油率平均值在90%以上，重复吸油性能下降范围在5%～30%内波动。吸附甲苯模拟废水的静态和动态试验结果表明：树脂在300min达到饱和，甲苯的去除率达到98.3%，固定于吸附柱中的吸油树脂可处理浓度为150mg/L的甲苯废水共299mL·g-1。
　　 (3)加拿大一枝黄花基两性吸附材料的制备与性能测试。通过环氧氯丙烷(ECH)和三甲胺(TMA)先后与加拿大一枝黄花纤维素所含有的羟基发生酯化反应制备两性吸附材料，并分别应用于吸附废水中的Cr(Ⅵ)和F-。Cr(Ⅵ)的最佳实验条件为：两性吸附材料投加量为3.2g/L、吸附时间240min、温度50℃及pH为2，Cr(Ⅵ)的去除率达到最大。F-在吸附的42min内去除率达可达32.5%。Cr(Ⅵ)和F-的吸附过程符合准二级动力学模型；Langmuir等温线能较好地描述Cr(Ⅵ)和F-的吸附平衡。经NaOH溶液对饱和吸附的两性吸附材料进行吸附解吸3次后，Cr(Ⅵ)和F-的吸附量与第一次相比分别下降了3.4%和10.8%，再生性能良好。
　　 (4)加拿大一枝黄花基吸附性材料的耦合应用性研究表明：当两性吸附材料与吸油树脂质量配比为1:2时，对结晶紫和亚甲基蓝去除率分别达到了99.7%和99%。以加拿大一枝黄花为原料制备的吸附材料对难降解染料废水的处理具有较好的应用前景。