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季铵型纤维素的合成、表征及材料性能研究

作　者: 俞芸
导　师: 施文健
学　校: 上海理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 季铵型纤维素合成理化性能吸附水溶性有机污染物
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本文以治理环境中低浓度、高毒性、生物难以降解的水溶性有机污染物为研究目标，合成了一种新型环境功能材料—季铵型纤维素（QACC），并对QACC吸附水溶性有机污染物做应用基础研究。本文优化了QACC的合成工艺：称取碱纤维1.6g放入锥形瓶中，加入60mL异丙醇，搅拌5min，滴加12mL 4%的氢氧化钠水溶液和6.0mL 50％3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵（CHPT）水溶液，在75℃下反应4h，产物用乙醇和蒸馏水洗涤后抽滤，低温烘干。测得其含氮量为1.65％，季铵基取代度为0.233。利用元素分析仪测定了QACC的组成及各成分含量，其中氮1.71％、碳40.4％、氢6.93％。用溴化钾压片法对QACC和棉纤维进行了红外光谱分析，在1637cm-1处存在明显的季铵基团的弯曲振动峰；2916cm-1处存在C-H的伸缩振动峰；1386cm-1处存在-CH3的C-H的弯曲振动峰；1050cm-1处存在C-O-C的反对称吸收峰。1637 cm-1处的特征吸收峰表明合成得到的产物即为目标产物QACC。对QACC和棉纤维进行了电镜扫描和X射线衍射分析，结果表明QACC经过醚化反应后，纤维素晶体结构被破坏，比表面积大大增加，这种变化使QACC对污染物的吸附量也大大增加。考察了QACC的抗水解、抗氧化和抗紫外光照性能。将QACC放入弱酸、弱碱和中性水溶液中浸泡4天，或用强氧化剂稀硝酸水溶液和双氧水溶液浸泡80min，或经300W紫外光照射80min后，QACC含氮量下降小于5％。表明QACC具有很强的抗水解、抗氧化和抗紫外光照性能。QACC对水溶性有机污染物的饱和吸附容量：3.22mg苯胺/g；6.75mg甲萘胺/g；13.7mg苯酚/g；33.2mg甲萘酚/g；12.1mg苯甲酸/g；33.6 mgα-萘甲酸/g；23.5 mg 4-氨基苯磺酸/g；52.8mg 2-萘磺酸/g；112mg R盐/g；30.1mg 2,3酸/g；168mg十二烷基苯磺酸钠/g。考察水体中常见离子对QACC吸附性能的影响。由于Fe3+、Mn2+、Al3+在水中形成氢氧化物胶体，能吸附水溶液中的污染物，起到净水的作用，加入Fe3+、Mn2+、Al3+后QACC对酸性红B的饱和吸附量略有些提高。加入其余离子QACC对酸性红B吸附量影响不大，说明QACC对常见离子的抗干扰能力强。研究了吸附过程的动力学问题，对QACC吸附酸性红B进行了一级和二级动力学方程拟和。结果表明二级拟和的线性相关系数明显高于一级，说明了QACC吸附酸性红B更符合二级动力学方程式。并且吸附速率随着温度的升高而增大，说明升高温度有利于吸附的进行，这种吸附属于化学吸附。计算了表观活化能Ea＝59.3KJ/mol，表明吸附较容易进行。研究了吸附过程的热力学问题，对QACC吸附酸性红B进行Frendlich和Langmuir等温吸附方程拟和。结果表明QACC吸附酸性红B符合Langmuir等温吸附方程，单分子吸附模型。计算了热力学参数，⊿H>0，表明该吸附过程为吸热过程，升高温度对吸附有利，与动力学分析结果相一致；⊿G<0表明吸附可自发进行。通过饱和容量法和连续等摩尔法测定QACC吸附污染物的配位比，结果表明季铵基团与水溶性基团是1:1结合的。研究QACC再生方法和循环利用问题，选择了洗脱剂的种类及浓度、温度和脱附时间。试验证明，常温下用0.1mol/LNaOH溶液对吸附污染物后的QACC脱附30min，再用0.1mol/L HCl溶液活化，经过7次重复使用后其饱和吸附容量减少不到7％，说明QACC具有很好的脱附再生性能。作为一种新型的环保吸附材料，有可观的开发应用前景。QACC作为一种新型的吸附材料，具有生产成本低廉、设备简单、污染物去除率高、可循环使用等特点，这些特点使其在去除环境中水溶性有机污染物时表现出显著的优越性。本文对QACC吸附特定有机污染物提供理论基础和技术手段，对QACC应用于纺织印染、石油钻井、日用化学品、生物医学、环境保护等领域的研究工作具有参考价值。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-29
  1.1 吸附原理及吸附材料  11-15
    1.1.1 吸附原理及吸附类型  11-12
    1.1.2 吸附材料种类及其特点  12-15
  1.2 纤维素简介  15-19
    1.2.1 纤维素的结构  15-17
    1.2.2 纤维素的化学反应  17-19
  1.3 纤维素衍生物的开发和应用  19-20
    1.3.1 纤维素在医学中的应用  19-20
    1.3.2 纤维素在复合材料中的应用  20
  1.4 纤维素衍生物作为吸附材料的研究进展  20-23
    1.4.1 纤维素吸水材料  20-21
    1.4.2 纤维素吸油材料  21
    1.4.3 纤维素吸附重金属材料  21-23
  1.5 季铵型纤维素在国内外的研究进展  23-26
    1.5.1 纤维素阳离子化方法  23-25
    1.5.2 季铵型纤维素在国内外的研究进展  25-26
  1.6 本论文的指导思想和研究目标  26-27
  1.7 本论文的研究内容及其特色  27-29
第二章实验部分  29-38
  2.1 仪器和材料  29-32
    2.1.1 实验仪器和设备  29
    2.1.2 实验试剂和材料  29-31
    2.1.3 试剂配制  31-32
  2.2 实验方法  32-38
    2.2.1 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的合成  32-33
    2.2.2 CHPT熔点的测定  33
    2.2.3 CHPT含量的测定  33-34
    2.2.4 季铵型纤维素的合成  34-35
    2.2.5 季铵基团取代度的测定  35-36
    2.2.6 红外光谱分析  36
    2.2.7 X-射线衍射光谱分析  36
    2.2.8 电镜扫描  36
    2.2.9 QACC吸附容量的测定  36-38
第三章实验结果与讨论  38-67
  3.1 CHPT的理化性能测定结果  38-39
    3.1.1 CHPT熔点测定结果  38
    3.1.2 CHPT含量测定结果  38-39
  3.2 QACC合成条件研究  39-44
    3.2.1 正交实验  39-40
    3.2.2 异丙醇浓度对取代度的影响  40-41
    3.2.3 CHPT用量对取代度的影响  41-42
    3.2.4 氢氧化钠浓度对取代度的影响  42
    3.2.5 反应温度对取代度的影响  42-43
    3.2.6 反应时间对取代度的影响  43-44
    3.2.7 小结  44
  3.3 QACC结构表征  44-47
    3.3.1 QACC元素分析结果  44
    3.3.2 QACC红外光谱图分析  44-45
    3.3.3 QACC的X射线衍射图  45-46
    3.3.4 QACC扫描电镜图  46
    3.3.5 小结  46-47
  3.4 QACC稳定性研究  47-49
    3.4.1 QACC抗水解性能研究  47
    3.4.2 QACC破坏性试验  47-49
  3.5 QACC对水溶性有机中间体的吸附  49-50
  3.6 环境水体中共存离子对QACC吸附容量的影响  50-51
  3.7 吸附过程动力学研究  51-56
    3.7.1 QACC吸附动力学曲线  51-52
    3.7.2 吸附速率  52-55
    3.7.3 表观活化能  55
    3.7.4 小结  55-56
  3.8 吸附过程热力学研究  56-60
    3.8.1 等温吸附线  56-59
    3.8.2 吸附热力学  59-60
    3.8.3 小结  60
  3.9 QACC再生和循环利用  60-63
    3.9.1 洗脱剂种类的选择  60-61
    3.9.2 氢氧化钠洗脱剂浓度的选择  61-62
    3.9.3 脱附温度的选择  62-63
    3.9.4 脱附时间的选择  63
    3.9.5 小结  63
  3.10 吸附及洗脱机理  63-67
    3.10.1 QACC吸附有机物配位比研究  63-64
    3.10.2 QACC吸附和脱附再生机理探讨  64-67
第四章结论  67-69
参考文献  69-74
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果  74-76
致谢  76

季铵型纤维素的合成、表征及材料性能研究

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