功能性纤维素气凝胶的制备及其在水净化中的应用研究

摘要

在世界各国均面临着石化资源日益匮乏和环境问题日益恶化的背景下，利用丰富的农林生物质资源，开发环境友好、可循环利用的生物质基功能材料，最大限度地替代或部分替代石油基材料并应用于各个领域，具有重要的理论意义和实际应用价值。纤维素作为地球上含量最丰富的天然高分子材料，具有可再生、生物可降解、生物相容、机械性能好、易化学改性等诸多优异性能，因此，采用绿色化学技术，研究和开发纤维素基功能材料一直是化工、材料、能源环境、生物医药等诸多领域的重要研究课题。
　　本论文以废弃棉纤维为纤维素原料，通过绿色、温和、简单的工艺技术制备了一种低密度、高孔隙率的纤维素气凝胶，考察了不同纤维素浓度对其形态结构、物化性质等的影响。在此基础上，利用甲基三氯硅烷(MTCS)对纤维素气凝胶进行化学改性，制备了疏水性纤维素气凝胶，研究了疏水性纤维素气凝胶的油水分离性能;另一方面，采用化学原位沉积法制备了纤维素/氧化石墨烯/氧化亚铜(CE/GO/Cu2O)三元杂化气凝胶，进一步研究了三元杂化纤维素气凝胶对有机染料甲基橙的可见光催化降解性能。论文研究结果如下:
　　(1)纤维素气凝胶的制备及其物化性能:以废弃棉纤维作为纤维素原料，N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用冷冻干燥技术制备出具有三维连通多孔结构的纤维素气凝胶。研究发现，纤维素溶液浓度对其凝胶化时间、气凝胶的微观结构及力学性能等均具有显著影响。室温条件下，当纤维素浓度从2wt％提高到4wt％时，凝胶化时间从265min缩短到165min;所得纤维素气凝胶的孔径由0.05-4μm增大至200μm，其密度相应的由0.027增加至0.056g cm-3，孔隙率均高达96％以上，呈现出良好的三维多孔结构;同时，所制备的纤维素气凝胶具有优异的力学性能，当其压缩形变为80％时，纤维素气凝胶(2-4wt％)的压缩强度达到1.10-3.85MPa。
　　(2)疏水性纤维素气凝胶的制备及其油水分离性能:采用化学气相沉积法(CVD)对浓度为2wt％的纤维素气凝胶进行硅烷化改性，得到疏水性纤维素气凝胶。FTIR、XPS等分析结果表明，MTCS与纤维素分子表面的羟基形成了C-O-Si共价结合，从而赋予了纤维素气凝胶优异、持久的疏水性能。接触角测试发现，经硅烷化改性的纤维素气凝胶表面水接触角达到141°，内部的接触角也达到了128.4°，5天后，其表面接触角仍保持在131°。这主要得益于纤维素气凝胶相互贯通的多孔网络结构;对不同油类和非极性有机溶剂的吸附性能研究发现，疏水性纤维素气凝胶呈现出优良的油水分离能力，其对泵油、植物油、氯仿和甲苯的吸附量分别高达59.32、55.85、46.23和40.16gg-1;此外，通过简单的吸收挤压方式即可以实现循环油水分离，经十次循环后，疏水性纤维素气凝胶对泵油和氯仿的吸附量仍分别达到37.5g g-1和38gg-1，具有良好的循环使用性能。
　　(3)CE/GO/Cu2O三元杂化气凝胶的制备及其光催化性能:将纤维素气凝胶的大比表面积和高吸附能力与氧化亚铜(Cu2O)的可见光催化活性相结合，采用化学原位沉积法制备了CE/GO/Cu2O三元杂化气凝胶。SEM观察发现，正八面体的Cu2O纳米颗粒均匀地镶嵌在三元杂化气凝胶的孔壁上，有效地抑制了纳米颗粒的团聚;UV-vis漫反射光谱和PL光谱分析表明，与纯Cu2O相比，纤维素气凝胶和氧化石墨烯的引入，不仅扩展了CE/GO/Cu2O三元杂化气凝胶的光吸收能力，同时还提高了光生电子和空穴的分离效率;经350W氙灯模拟光照120分钟，MO的光催化降解率可达92％，经5次循环后，对MO的光催化降解率仍保持在80％，展现出良好的光催化稳定性。
　　本论文以废弃棉纤维为原料，采用绿色、温和、简单的工艺方法制备得到了具有相互贯通三维多孔结构的纤维素气凝胶。经功能化改性，分别获得了具有疏水性的纤维素气凝胶及具有光催化活性的纤维素复合气凝胶，并研究了其在油水分离、有机染料的可见光催化降解中的应用潜能。论文研究结果对实现纤维素资源在水环境控制与治理中的应用提供了理论依据和技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纤维素的结构与性质

1．2．1 纤维素的结构

1．2．2 纤维素的性质

1．3 纤维素基功能材料及其应用

1．3．1 纤维素纤维

1．3．2 纤维素膜

1．3．3 纤维素水凝胶

1．3．4 纤维素气凝胶

1．3．5 纤维素微球

1．3．6 纤维素基复合材料

1．4 纤维素基功能材料在水净化中的应用

1．5 研究目的与意义

1．6 研究内容与创新点

1．6．1 研究内容

1．6．2 创新点

第二章 纤维素气凝胶的制备及其性能研究

2．1 引言

2．2 实验材料与仪器

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 纤维素气凝胶的制备

2．3．2 纤维素气凝胶的结构与性能表征

2．4 结果与讨论

2．4．1 纤维素溶液的流变学性能

2．4．2 纤维素气凝胶的力学性能

2．4．3 纤维素气凝胶的形貌特征

2．4．4 纤维素气凝胶的密度、孔体积和孔隙率

2．4．5 纤维素气凝胶的化学结构

2．4．6 纤维素气凝胶的晶体结构

2．4．7 纤维素气凝胶的热稳定性

2．4．8 纤维素气凝胶的溶胀性能

2．5 小结

第三章 疏水性纤维素气凝胶的制备及其油水分离性能研究

3．1 引言

3．2 实验材料与仪器

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验仪器

3．3 实验方法

3．3．1 疏水性纤维素气凝胶的制备

3．3．2 疏水性纤维素气凝胶的结构与性能表征

3．4 结果与讨论

3．4．1 疏水性纤维素气凝胶的化学结构

3．4．2 疏水性纤维素气凝胶的形貌结构与接触角

3．4．3 疏水性纤维素气凝胶的油水分离性能

3．5 小结

第四章 CE／GO／Cu2O三元杂化气凝胶的制备及其光催化性能研究

4．1 引言

4．2 实验材料与仪器

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验仪器

4．3 实验方法

4．3．1 氧化石墨烯的制备

4．3．2 CE／GO／Cu2O三元杂化气凝胶的制备

4．3．3 CE／GO／Cu2O三元杂化气凝胶的结构与性能表征

4．4 结果与讨论

4．4．1 氧化石墨烯的表征

4．4．2 氧化石墨烯在纤维素溶液中的分散性

4．4．3 CE／GO／Cu2O三元杂化气凝胶的制备

4．4．4 CE／GO／Cu2O三元杂化气凝胶的形貌结构

4．4．5 CE／GO／Cu2O三元杂化气凝胶的化学结构

4．4．6 CE／GO／Cu2O三元杂化气凝胶的紫外-可见漫反射光谱

4．4．7 CE／GO／Cu2O三元杂化气凝胶的荧光光谱

4．4．8 CE／GO／Cu2O三元杂化气凝胶的可见光催化降解性能

4．4．9 CE／GO／Cu2O三元杂化气凝胶光催化稳定性及催化机理初步探究

4．5 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢