微纤化纤维素大孔材料的制备及其染料和油污吸附性能研究

作     者：张金蒙 

作者单位：云南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张旭锋

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：微纤化纤维素 高碘酸盐氧化 凝胶化 溶剂交换干燥 大孔材料 Schiff碱反应 甲基橙 油污 

摘      要：纳米纤维基多孔材料在具备低密度和高孔隙率基础上,融入了纤维素可再生、可生物降解、良好的生物相容性和低成本等优势,成为了继无机矿物和石油基聚合物的新一代材料。纳米纤维基多孔材料作为天然高分子基的材料,在催化剂载体、隔热、储能、电磁干扰、生物医学和吸附剂等领域被广泛应用。其中,利用自然界丰富的纤维素,对废水中的染料和油污进行吸附和分离,能够有效解决废水治理问题,对天然资源的利用和环境修复都具有重要意义。基于此,本论文主要以微纤化纤维素(MFC)为原料进行结构设计制备能够有效吸附染料和油污的MFC基功能材料,为纤维素的高值化利用提供可能途径。(1)以MFC为原料,首先通过NaIO选择性氧化MFC得到醛基修饰的MFC分散液(Ox-MFC),然后通过在-12°C下醛基和羟基之间的羟醛缩合反应进行冷冻诱导下的化学交联,进行“三维网络构建,实现凝胶化过程,制备得到MFC凝胶。随后,通过将MFC凝胶继续浸泡在NaIO溶液中实现二次交联组装,材料在该过程中出现了收缩现象。分析了该过程中NaIO浓度和浸泡时间对MFC凝胶收缩的影响,并探讨了收缩过程对MFC凝胶微观结构和机械性能的影响。最终经乙醇溶剂交换干燥后,成功制备了具有孔隙可调和显著增强机械强度的MFC大孔材料(MFC-x)。除此之外,其表面丰富的醛基也为其后期化学改性提供了基础。(2)以MFC大孔材料为基础,用聚乙烯亚胺(PEI)对其进行改性,通过氨基和醛基之间的Schiff碱反应制备出具有优异机械性能的氨基功能化微纤化纤维素大孔材料(PEI-MFC),对其进行了相应的结构表征后,分析了其对甲基橙(MO)的吸附性能。PEI-MFC对MO的最大吸附量可达500 mg·g,表现出了优异的吸附能力,根据实验数据得到的吸附等温线和动力学分别符合Langmuir等温模型和准二级动力学模型。且所制备的PEI-MFC具有良好的可重复使用性,重复使用6次后仍保持原有吸附量的95%。此外,该吸附剂在动态连续吸附过程中具有突出优势,可快速高效处理染料溶液。因此,PEI-MFC有望应用于有色废水的治理,为处理水污染的一种新型吸附材料。(3)以MFC大孔材料为基础,以十六胺(HDA)为改性剂对其进行疏水化改性,通过氨基和醛基之间的Schiff碱反应在材料表面引入疏水基团十六烷基,制备得到疏水化微纤化纤维素大孔材料(HDA-MFC),并对其进行了相应的结构表征。HDA-MFC具有低密度(29.8 mg/cm),高孔隙率(98%),其静态水接触角可达143°,可以对多种油类和有机溶剂产生吸附,吸油量可达自身重量的32倍。此外,HDA-MFC还具有良好的储油能力和可回收性。空心球状的HDA-MFC可以将油快速有效地输送到“球腔中,对油的实际回收处理量可远超其吸附量,为开发用于去除油污和有机污染物的可持续高效吸附剂奠定了基础。