木质素-SiO2纳米复合微粒的制备与吸附性能研究

摘要

本文首先以乙酸木质素为原料，通过液相沉积法制备了纳米木质素，并利用动态光散射法、电子显微镜、红外光谱、X射线衍射、元素分析、X射线光电子能谱和水接触角测试等分析方法研究了纳米木质素的最佳制备条件、形貌结构、化学结构、晶体结构及表界面性质。然后，利用点击反应将木质素修饰到纳米SiO2微粒表面，制备共价键合的木质素-SiO2纳米复合微粒，系统研究了复合微粒的制备过程以及粒径尺寸、形貌、分散性、热稳定性等性能。最后，研究了乙酸木质素、纳米木质素、纳米SiO2、木质素-SiO2纳米复合微粒对不同重金属离子的吸附性能，并考察了吸附条件对木质素-SiO2纳米复合微粒吸附铜(Ⅱ)离子和铅(Ⅱ)离子的影响。主要研究内容及结果归纳如下:
　　1.采用液相沉积法制备了纳米木质素。实验结果表明，机械搅拌速度、木质素溶液滴加速度、THF/H2O体积比例、木质素溶液的初始浓度是影响制备纳米木质素粒径的关键因素。纳米木质素的最佳制备条件为:搅拌速度大于300 r/min，滴加速度5～40 mL/h，THF/H2O体积比例为10∶100，木质素初始浓度10～20 g/L。在此条件下，制备的纳米木质素平均粒径约为150nm。进一步分析测试表明，由液相沉积法制备的纳米木质素颗粒分散性较好，其化学结构没有发生明显变化，为无定型聚合物形态;木质素上的羟基集中在纳米颗粒内核，其表面疏水内部亲水基团聚集的结构增加了纳米木质素颗粒的稳定性。
　　2.以乙酸木质素和纳米SiO2为原料，首先通过烷基化反应在纳米SiO2表面引入叠氮结构，并由木质素制备炔基木质素;然后在Cu(Ⅰ)催化下，炔基木质素与叠氮基纳米SiO2经点击反应制备含三氮唑结构单元的木质素-SiO2纳米复合微粒(LS-NPs)。采用红外光谱、元素分析、X射线光电子能谱等分析手段表征各步反应的产物，通过扫描电镜、透射电镜、Zeta电位仪和热重分析等表征方法考察最终产物木质素-SiO2纳米复合微粒的形貌结构和理化性能。结果表明，利用Cu(Ⅰ)催化的炔基-叠氮环加成点击反应，成功将木质素结构通过三氮唑单元接枝到纳米SiO2表面，提供了一种制备木质素基纳米复合材料的新方法。制备的木质素-SiO2纳米复合微粒粒径为50～100nm，木质素在纳米SiO2表面的接枝使得复合微粒的分散性和热稳定性均得到显著提高。
　　3.在不同条件下，考察了木质素-SiO2纳米复合微粒对不同重金属离子的吸附性能，确定了最佳吸附条件。研究结果表明，木质素-SiO2纳米复合微粒对重金属离子具有吸附选择性，对铜(Ⅱ)离子、铅(Ⅱ)离子的吸附能力较强;相对于原料乙酸木质素，液相沉积法制备的纳米木质素及纳米SiO2吸附效果有明显提高。研究木质素-SiO2纳米复合微粒对铅(Ⅱ)离子吸附过程发现，当溶液的pH在5.5时吸附效果最好;随着铅(Ⅱ)离子溶液初始浓度增加，吸附剂吸附量增大，但吸附率下降，说明木质素-SiO2纳米复合微粒的吸附性能与吸附位点有关。分别采用Langmuir与Freundlich吸附等温式对木质素-SiO2纳米复合微粒吸附铅(Ⅱ)离子的过程进行拟合，其线性拟合相关系数R2分别为0.9904和0.8637，表明该吸附过程能较好地符合Langrnuir吸附等温模型，以单分子层吸附过程为主。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 项目来源与经费支持

1．2 国内外研究现状

1．2．1 纳米木质素的制备方法及其应用

1．2．2 木质素纳米复合材料

1．2．3 木质素的吸附性能及应用

1．3 设计思路及主要研究内容

1．3．1 设计思路

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

1．4 论文创新点

第二章 液相沉积法制备纳米木质素及其表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 原料、试剂及仪器

2．2．2 乙酸木质素成分及羟值分析

2．2．3 纳米木质素颗粒的制备

2．2．4 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 木质素成分及羟值分析

2．3．2 影响纳米木质素粒径的主要因素

2．3．3 红外光谱表征

2．3．4 形貌表征

2．3．5 晶体结构表征

2．3．6 表面元素及结构分析

2．4 本章小结

第三章 点击反应制备木质素-SiO2纳米复合微粒及其表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料、试剂及仪器

3．2．2 木质素-SiO2纳米复合微粒(LS-NPs)的制备

3．2．3 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 红外光谱分析

3．3．2 元素含量及X射线光电子能谱分析

3．3．3 LS-NPs的形貌和结构分析

3．3．4 LS-NPs的Zeta电位分析

3．3．5 LS-NPs的热重分析

3．4 本章小结

第四章 木质素-SiO2纳米复合微粒的吸附性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 原料、试剂及仪器

4．2．2 吸附实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 吸附剂对不同金属离子的吸附性能

4．3．2 不同吸附剂对铅(Ⅱ)离子的吸附性能

4．3．3 吸附条件对吸附铅(Ⅱ)离子的影响

4．3．4 铅(Ⅱ)离子吸附等温线的研究

4．3．5 铜(Ⅱ)离子吸附性能研究

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢