木素基水凝胶的合成及其性能研究

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近年来,乙醇制浆由于其制浆过程不需要化学试剂且制浆过程可产生诸多副产物(木素、糠醛、聚戊糖等)、乙醇制浆的蒸煮液污染程度较常规制浆方法低、废液中含有的乙醇易回收等优点而备受关注。乙醇制浆产生的木素结构破坏较小,木素有较高的活性,有利于其后续的改性利用或制备其它合成材料。水凝胶尤其是生物基水凝胶因其具有较好的生物适应性、生物可降解性而备受关注,木素作为天然高分子化合物,可用于制备生物基水凝胶,其制备的水凝胶除具有较好的生物适应性、生物可降解性外,还具有木素的部分性质,如吸附性等,用做吸附材料用于处理染料废水等。本文以适合乙醇制浆的杨木为原料,采用乙醇制浆的方法从原料中分离木素,并采用弱酸法及液液法对木素进行提纯。采用离子色谱、红外光谱、凝胶渗透色谱及核磁共振对提取的木素和纯化木素的纯度、分子量和结构进行了研究,结果表明,两种纯化方法均可有效降低木素灰分及糖类杂质,且液液法纯化对糖类杂质的去除效果更好,木素存在β-O-4,β-5结构,纯化后木素β-O-4结构含量增加,分子量也随之增大。在真空条件下对水凝胶的合成条件进行探究,实验确定制备水凝胶比较适宜的条件为:纤维素浓度2%,反应时间4h,反应温度60℃,交联剂用量10%。在此条件下,制备出的纤维素水凝胶具有一定的强度能够保持其形态,且具有较好的孔隙结构。参考纤维素水凝胶的基础上合成木素-纤维素水凝胶,考察木素用量对水凝胶的影响。对水凝胶进行较为全面的检测,结果发现,随木素用量的增加,水凝胶的各方面性能都有很大的变化,主要表现在:水凝胶的颜色明显增加,水凝胶的孔隙结构孔径增大,水凝胶的水溶胀性能增大,水凝胶的热稳定性有所降低,水凝胶的强度有较大程度的提高。此外,加入木素后使得水凝胶获得了对亚甲基蓝吸附的能力,进行的亚甲基蓝缓释实验进一步说明,木素水凝胶对亚甲基蓝具有释放效果,且随木素用量的增加,水凝胶对亚甲基蓝的缓释能力增加。对木素水凝胶对亚甲基蓝的吸附影响因素进行考察,发现温度、pH值、亚甲基蓝浓度及吸附时间等条件均对吸附实验有一定的影响,木素水凝胶对亚甲基蓝吸附实验优化条件确定为温度300C,pH为6,吸附时间10h,亚甲基蓝浓度为100mg/L。对亚甲基蓝吸附的动力学分析表明:水凝胶对亚甲基蓝吸附为准二级动力学吸附,此外准二级吸附的拟合曲线的相关系数较高,说明水凝胶对亚甲基蓝的吸附为化学吸附,可能是由于水凝胶中含有木素,木素中的羧基等基团与亚甲基蓝存在相互作用。采用液液法纯化木素制备的水凝胶对亚甲基蓝染料有一定的吸附性,在优化条件下,该水凝胶的最大吸附量为32.6mg/g,加入木素使得对亚甲基蓝不具吸附作用的纤维素水凝胶获得这一性能,但其吸附量与活化的活性炭等吸附剂仍有一定的差距,可能与木素未改性,其上的阴离子基团含量较少,后续可对木素进行离子化改性,以增强其吸附能力。
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