納米微晶纖維素的改性及對重金屬離子的吸附性能研究.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的不斷前進(jìn)，水體中重金屬離子污染問題已逐漸成為世界各國熱切關(guān)注的重大環(huán)境問題之一。在眾多處理重金屬離子的方法中，吸附法以其操作靈活、低能耗、低殘留和可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，得到了人們的廣泛研究。過去我們常用的吸附材料往往存在著成本高、比表面積小、活性位點(diǎn)少、選擇性差以及吸附效率不高等缺陷。因此，研發(fā)快速高效、適用范圍廣、處理成本低的新型吸附材料已成為一項亟待解決的研究課題。近年來，納米吸附材料受到廣泛關(guān)注。與

2、傳統(tǒng)的吸附材料相比，納米級吸附劑擁有比表面積大、吸附位點(diǎn)多、內(nèi)擴(kuò)散距離短以及孔徑尺寸可調(diào)性等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高其對吸附質(zhì)的吸附效率。
　　本論文是以酸水解法制得的納米微晶纖維素（NCC）為原料，采用高碘酸鹽氧化制備出雙醛納米纖維素（DANC），然后分別利用席夫堿反應(yīng)和親電取代反應(yīng)在DANC分子鏈上接枝二乙烯三胺（DETA）和荊樹皮單寧，得到表面含有游離氨基的氨基化改性納米纖維素（ANCC）和表面含有活潑酚羥基的納米微晶纖維素-植物

3、單寧復(fù)合物（TNCC）。最后，分別以ANCC和TNCC作為吸附劑，吸附重金屬離子Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI），探究兩種吸附劑各自的吸附性能和機(jī)理。
　　首先，利用64％的硫酸水解漂白闊葉木硫酸鹽漿（BHKP），制得均一的NCC懸浮液。采用NaIO4對NCC進(jìn)行氧化得到DANC懸浮液。然后利用席夫堿反應(yīng)將不同用量的DETA接枝到DANC上，制備出表面含有游離氨基的ANCC。探討了DETA用量對產(chǎn)物的得率、氨基含量以及Ze

4、ta電位的影響，同時還利用FT-IR、元素分析、顯色反應(yīng)、TGA、XRD、AFM等檢測手段對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示，ANCC的氨基含量及Zeta電位隨著DETA用量的不斷增加均呈現(xiàn)出增長趨勢。FT-IR分析、元素分析和標(biāo)準(zhǔn)茚三酮顯色反應(yīng)均證明了ANCC中含有游離氨基。TGA分析顯示，相對于DANC來說，ANCC的熱穩(wěn)定性有所增大，和NCC相近。XRD分析表明，改性后的納米纖維素晶型不變，NCC、DANC和ANCC的晶型均屬于

5、纖維素-I晶型。AFM圖片表明，NCC、DANC和ANCC均為棒狀結(jié)構(gòu)，但相較于NCC來說，DANC和ANCC的粒徑均有所下降。
　　隨后，用ANCC作為吸附劑吸附重金屬離子Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)，通過改變吸附體系pH值、吸附時間和初始重金屬離子濃度，探討ANCC對Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)的吸附性能和機(jī)理。結(jié)果表明，Cu(II)和Pb(II)的最佳吸附pH為6，Cr(VI)的最佳吸附pH為2。AN

6、CC對Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)三種重金屬離子的吸附大約在3h時均可達(dá)到吸附平衡，且吸附過程均可分為快速和慢速兩個先后吸附階段。在所測的 Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)離子濃度范圍內(nèi)，ANCC的吸附容量均隨著重金屬離子初始濃度的增加而增大。通過將ANCC對Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)的吸附過程進(jìn)行吸附動力學(xué)曲線和吸附等溫線曲線擬合，發(fā)現(xiàn) ANCC對 Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)的吸附過程均

7、符合準(zhǔn)二階動力學(xué)方程和Langmiur吸附等溫方程。由此可知， ANCC對Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)的吸附均屬于化學(xué)吸附。ANCC對Cu(II)、Pb(II)、Cr(VI)三種重金屬離子的最大吸附容量分別為26.28mg/g、28.89mg/g及38.39mg/g，其中對Cr(VI)的吸附性能最好。
　　然后，以DANC為原料利用親電取代反應(yīng)將不同用量的荊樹皮單寧接枝到DANC上，制備出納米微晶纖維素-植物單寧復(fù)合物

8、（TNCC）。探討了反應(yīng)pH、j荊樹皮單寧用量和反應(yīng)時間對單寧反應(yīng)量和TNCC中單寧質(zhì)量比例的影響，同時還利用顯色反應(yīng)、TGA、XRD、AFM等檢測手段對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示，反應(yīng)的最佳pH在4.5左右，隨著荊樹皮單寧用量和反應(yīng)時間的增加，TNCC中單寧質(zhì)量比例呈現(xiàn)增長趨勢。FeCl3顯色反應(yīng)證明了TNCC中有活潑羥基的存在。TGA分析顯示，相對于DANC來說，TNCC的熱穩(wěn)定性有所增大，和NCC相近。XRD分析表明，NC

9、C、DANC和TNCC的晶型均屬于纖維素-I晶型，改性后得到的TNCC晶型不變。AFM圖片顯示，NCC、DANC和TNCC均為棒狀結(jié)構(gòu)，改性后得到的TNCC表面形態(tài)沒有發(fā)生變化。
　　最后，以TNCC為吸附劑吸附重金屬離子Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)，通過改變吸附體系pH值、吸附時間和初始重金屬離子濃度，探討TNCC的吸附性能和機(jī)理。結(jié)果表明，Cu(II)、Pb(II)的最佳吸附pH為6，Cr(VI)離子的最佳吸附pH

10、為2。TNCC對Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)三種重金屬離子的吸附大約在4 h均可達(dá)到吸附平衡，且吸附過程均可分為快速和慢速兩個先后吸附階段。在所測的Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)離子濃度范圍內(nèi)，TNCC的吸附容量均隨著重金屬離子初始濃度的增加而增大。通過將TNCC對Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)的吸附過程進(jìn)行吸附動力學(xué)曲線和吸附等溫線曲線擬合，擬合結(jié)果表明TNCC對Cu(II)、Pb(II)及Cr(VI)