接枝改性木质素吸附材料的制备及应用基础研究

论文摘要

木质素是植物体内仅次于纤维素的一种丰富的、可降解的天然酚类高分子聚合物。碱木质素作为木材水解工业和造纸工业的主要副产物，由于结构复杂得不到充分利用，过去长期被贴上了“环境污染物”的标签。本文从有效地综合利用碱木质素的角度出发，利用木质素分子结构单元的特征，对碱木质素进行接枝改性，以增加功能化基团。将碱木质素制备成具有特殊功能的生物质吸附材料，并用于梯恩梯（TNT）及苯胺废水的处理。研究结果如下：（1）以碱木质素为原料，无水三氯化铝为催化剂，1,2-二氯乙烷为氯化剂，制备了氯化木质素，通过单因素探究了反应条件对氯化木质素含氯量的影响。再将所得的氯化木质素用乙二胺胺化即获得胺化木质素（AmL）。探究了反应时间、反应温度对胺化木质素含氮量的影响。结果表明，碱木质素接枝氯化的适宜条件为：65°C、反应时间为6h；氯化木质素在条件为80°C、反应时间为8h进行胺化最佳。利用多种现代测试手段对AmL进行了表征。（2）以胺化木质素作为吸附材料，系统研究胺化木质素对TNT的吸附特性。结果表明，胺化木质素对TNT有很强的吸附作用，24h就能达到吸附平衡，去除效率随胺化木质素用量的增加而提高，最大去除效率约95%。吸附动力学符合准二级吸附方程。吸附容量随TNT浓度增加而增大，对TNT最大吸附容量为56.7mg/g。热力学参数ΔH为正值和ΔG为负值表明胺化木质素吸附TNT是吸热的自发吸附。通过8次吸附-解吸附实验表明，用乙醇解析可以使胺化木质素再生恢复率达95%以上。（3）将胺化木质素运用于填料柱，研究胺化木质素对水中TNT的动态吸附性能。结果表明，胺化木质素能有效去除水中的TNT，高填料层、低流速和低浓度均使穿透曲线上的穿透点向右移动，穿透时间延长。用BDST模型能比较准确预测穿透时间,误差<5.3%；用Thomas模型和Yoon-Nelson模型可较好地描述不同TNT浓度、不同柱高、不同流速时胺化木质素对TNT的吸附动力学,相关系数大于0.95,平衡吸附容量与理论值接近。（4）以碱木质素大分子为接枝骨架，选用丙烯酸为单体，对碱木质素进行自由基接枝共聚反应，合成木质素接枝丙烯酸吸附材料。从接枝反应条件，如引发剂的种类、介质种类、引发剂用量、单体用量、反应温度、反应时间等方面综合研究上述因素对木质素接枝丙烯酸共聚物的影响情况。结果表明，木质素接枝丙烯酸吸附剂制备的适宜条件为:以甲醇为介质，硫酸亚铁铵/H2O2溶液作引发剂、在反应温度70℃下反应时间8h。多种现代测试手段表明，碱木质素与丙烯酸之间发生了接枝共聚反应。（5）利用制备的木质素接枝丙烯酸作为吸附材料，系统研究木质素接枝丙烯酸对苯胺的吸附特性。实验结果表明，木质素接枝丙烯酸对苯胺有较强的吸附能力。吸附动力学符合准二级吸附方程，吸附活化能为8.09kJ/mol。溶液的pH和吸附温度对吸附特性有较大影响，最佳吸附pH为7左右，同时，低温条件有利吸附的进行。热力学参数ΔH为负值和ΔG为正值表明木质素接枝丙烯酸吸附苯胺是放热的非自发吸附。通过调节吸附环境的pH值，碱木质素接枝丙烯酸对苯胺可实现吸附和脱附反应，可多次循环使用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 木质素的存在
• 1.2 木质素的结构
• 1.3 碱木质素的理化性质
• 1.3.1 碱木质素的物理性质
• 1.3.2 碱木质素的化学性质
• 1.4 碱木质素吸附材料研究进展
• 1.4.1 环境中 TNT 的来源及其危害
• 1.4.2 环境中苯胺的来源及其危害
• 1.4.3 TNT 及苯胺废水处理国内外研究与发展现状
• 1.4.4 碱木质素吸附材料研究进展
• 1.5 本论文的研究内容、创新点与意义
• 1.5.1 本论文的研究内容
• 1.5.2 本论文的创新点与意义
• 2 碱木质素胺化改性研究及表征
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 设备仪器
• 2.2.3 试验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 温度对碱木质素接枝氯乙基接枝率的影响
• 2.3.2 反应时间对碱木质素接枝氯乙基接枝率的影响
• 2.3.3 温度对胺化反应的影响
• 2.3.4 乙二胺用量对胺化反应的影响
• 2.3.5 反应时间对胺化反应的影响
• 2.3.6 胺化木质素零电荷点分析
• 2.3.7 红外光谱分析
• 2.3.8 TGA 分析
• 2.3.9 比表面分析
• 2.3.10 表面形貌分析
• 2.3.11 XPS 分析
• 2.4 本章小结
• 3 胺化木质素对 TNT 的静态吸附研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验材料与试剂
• 3.2.2 设备仪器
• 3.2.3 吸附实验
• 3.2.4 吸附-解吸附实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 标准曲线的绘制
• 3.3.2 pH 的影响
• 3.3.3 吸附时间的影响
• 3.3.4 吸附动力学
• 3.3.5 等温吸附
• 3.3.6 温度的影响
• 3.3.7 吸附剂用量的影响
• 3.3.8 胺化木质素对 TNT 吸附作用的探讨
• 3.3.9 循环使用
• 3.4 本章小结
• 4 胺化木质素对 TNT 的动态吸附研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 设备仪器
• 4.2.3 实验方法
• 4.2.4 吸附量的测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 吸附柱柱高的影响
• 4.3.2 TNT 初始浓度的影响
• 4.3.3 流速的影响
• 4.3.4 填料柱的再生
• 4.4 胺化木质素吸附柱动态模型拟合分析
• 4.4.1 BDST 模型
• 4.4.2 Thomas 模型
• 4.4.3 Yoon-Nelson 模型
• 4.5 本章小结
• 5 碱木质素接枝丙烯酸吸附材料的制备
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 设备仪器
• 5.2.3 试验方法
• 5.2.4 测试方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 单体种类对接枝反应的影响
• 5.3.2 引发剂种类对接枝反应的影响
• 5.3.3 介质种类对接枝反应的影响
• 5.3.4 H2O2用量对接枝反应的影响
• 5.3.5 单体用量对接枝反应的影响
• 5.3.6 温度对接枝反应的影响
• 5.3.7 时间对接枝反应的影响
• 5.3.8 木质素接枝丙烯酸的结构形态分析
• 5.4 本章小结
• 6 碱木质素接枝丙烯酸对苯胺的吸附研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 设备仪器
• 6.2.3 吸附实验
• 6.2.4 脱附实验
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 标准曲线绘制
• 6.3.2 pH 影响
• 6.3.3 吸附时间的影响
• 6.3.4 吸附动力学
• 6.3.5 活化能及吸附热力学
• 6.3.6 等温吸附
• 6.3.7 吸附机理
• 6.3.8 循环使用
• 6.4 本章小结
• 结语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果