纤维素—接枝—聚合(BA-MBA)的制备及其吸油性能的研究

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在过去的几十年中,石油产品以及有机溶剂泄漏事故愈加频繁。泄漏产生的油污染给空气、水体和土壤、动植物的生存以及人类健康带来极大的危害。此外油的风化现象能够使油的密度、粘度等性质发生改变,使得对油污染的清理更加具有挑战性。目前研究人员已经开发了各种油污染处理方法,大体可以分为物理法、化学法、原位燃烧法以及生物法四大类。其中,物理法中使用吸油材料处理油污染更加经济、环保,能够更彻底地清除水面浮油,因此吸油材料是目前油污染处理方向的研究热点之一。纤维素来源广泛、成本低廉、具有良好的生物相容性、可生物降解性以及机械性能,但将其直接用于吸油时,吸附容量很低,而通过接枝共聚亲油性单体、在纤维素表面构建交联的三维网络结构,可显著提高纤维素的吸油性能。本论文中,以微晶纤维素为基体,过氧化二苯甲酰(benzoyl peroxide,BPO)为引发剂,丙烯酸丁酯(butyl acrylate,BA)和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(N,N’-methylene bisacrylamide,MBA)为接枝单体,使用自由基接枝聚合的方法制备纤维素-接枝-聚合(丙烯酸丁酯-N,N’-亚甲基双丙烯酰胺)[cellulose-graft-poly(butyl acrylate-N,N’-methylene bisacrlamide),Cell-g-P(BA-MBA)]。通过红外光谱、元素分析、扫描电镜、接触角测试对接枝聚合物的化学结构、元素组成、表面形貌以及湿润性能进行了表征,结果证明已制备获得具有疏水亲油性能的Cell-g-P(BA-MBA)。首先考察了引发剂BPO和单体BA用量对纤维素-接枝-聚合丙烯酸丁酯[cellulose-graft-poly(butyl acrylate),Cell-g-PBA]接枝率和接枝效率的影响,接枝率和接枝效率均随着引发剂BPO和单体BA用量的增加先升高后降低,当微晶纤维素用量为1.00 g,引发剂BPO用量为0.20 g,单体BA用量为6.00 g时,Cell-g-PBA的接枝率和接枝效率达到最高,分别为432.00%和72.67%。其次通过正交试验比较了在微晶纤维素质量保持1.00 g时,BPO用量、MBA用量、BA用量和接枝聚合温度四种因素对Cell-g-P(BA-MBA)吸油性能的影响,实验结果表明影响主次顺序为接枝聚合温度>MBA用量>BPO用量>BA用量。最后在正交试验结果的基础上继续优化反应条件,当接枝聚合温度为70℃,MBA用量为BA用量的0.35 wt%,BPO用量为0.09 g,BA用量为7.00 g时,Cell-g-P(BA-MBA)对三氯甲烷、甲苯、92#汽油和0#柴油的吸附容量达到最大值,分别为 37.55 gg-1,18.72 gg-1,10.45 gg-1 和 0.71 gg-1。之后进一步测试了 Cell-g-P(BA-MBA)对不同有机溶剂和油的吸附性能,其对三氯甲烷、甲苯、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺和92#汽油的吸附容量分别为37.55 g g-1,18.72 g g-1,9.46 gg-1,7.37 gg-1 和 10.41 g g-1。对正己烷、0#柴油、大豆油、机油以及真空泵油的吸附容量在0.54g g-1-0.90 g g-1之间。与其它类似的吸油材料相比,Cell-g-P(BA-MBA)对各种有机溶剂均有着较高的吸附容量。此外,对Cell-g-P(BA-MBA)的吸附动力学、吸附等温模型、吸附热力学、油水分离性能以及再生性能进行了考察。实验结果表明:吸附过程中存在物理吸附,为自发、放热的过程;吸附等温线模型符合Freundlich等温线吸附模型;Cell-g-P(BA-MBA)能够快速去除水面上的浮油,并且在经历十五个吸附-解吸循环后,其吸附容量与初始值基本相同。综上,本论文所制备的纤维素基接枝聚合物Cell-g-P(BA-MBA)作为一种可再生的高效吸油材料,在处理水体油污染方面有较大的应用潜力。
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