木质素季铵化改性及其性能研究

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木质素是唯一一种可再生的芳香族化合物,由于廉价无毒,而具有开发利用的潜力和价值。目前,木质素这一天然可再生资源并没有得到充分利用,而是排放或者燃烧掉,这在一定程度上不仅造成资源浪费,而且还导致环境污染问题。因此如何充分高值化利用这一天然高分子化合物具有重要的现实意义和经济效益。本文从木质素高值化利用角度出发,讨论了四种木质素基季铵盐型阴离子吸附剂的制备方法及其合成机理,并对吸附剂物化性质和吸附性能做了详细讨论。首先以有机木质素作为基质,并分别在DMF溶液和NaOH水溶液中制备木质素基季铵盐型阴离子吸附剂。在DMF溶液中以吡啶作为催化剂制备木质素基季铵盐型阴离子吸附剂(D-LQA),并对其合成机理进行探讨与分析。设计L9正交试验,寻找最优合成条件为木质素:吡啶:三乙胺=2g:3mL:12mL,最优实验温度为70℃,反应时间是7h,产率为188.6%,硝酸盐去除率为91.2%,并验证反应温度为最主要影响因素。NaOH水溶液不仅环境友好而且具有很好的经济性,我们在NaOH水溶液中,且没有催化剂存在条件下制备木质素基季铵盐型阴离子吸附剂(CS-LQA),并对其合成机理进行探讨与分析。讨论NaOH水溶液浓度对整个有机合成反应的影响,并对其产率做了分析。实验结果显示当NaOH水溶液浓度为6mol/L时,CS-LQA吸附剂的产率和吸附容量分别为123.6%和38.3mg/g。通过现代分析检测手段对D-LQA和CS-LQA物化特性进行表征。通过31P-NMR分析知木质素羟基总量为6.67mol/(kg木质素),羟基木质素转化率最高为21.9%左右。通过红外光谱(FTIR)和电位分析知,D-LQA和CS-LQA结构中含有大量的带正电荷的季铵基团。对D-LQA和CS-LQA吸附性能进行测试,并分别讨论了吸附热力学特点和吸附动力学特点。D-LQA吸附容量(74.53mg/g)高出现在市售吸附剂,CS-LQA吸附容量(38.3mg/g)处于市售吸附剂吸附容量平均水平,而且由于其制备工艺简单,且环保无毒,有良好的经济性和环境性效益,均具有可替代市售产品的潜力。最后讨论了其他两种不同木质素基季铵盐型阴离子吸附剂的制备方法及其机理。方法一,在乙醇溶剂中,高氯酸作为催化剂的酸性条件下合成木质素基季铵盐型阴离子吸附剂。同时对原料木素种类以及对溶剂的种类进行了分析与讨论,结果显示利用针叶木碱木素和乙醇溶液效果更好;方法二,是在DMF有机溶剂中,经亚硫酰氯氯化后合成木质素基季铵盐型阴离子吸附剂。我们将两种方法所得产品分别对硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐以及重铬酸钾等不同阴离子进行吸附比较。分析对比结果显示:方法一吸附容量依次为硝酸钾>重铬酸钾>硫酸钠>磷酸二氢钾,若将其换算成摩计量来比较其吸附容量依次为硝酸钾>硫酸钠>磷酸二氢钾>重铬酸钾;方法二中产品对硫酸盐和硝酸盐阴离子吸附效果较好,碱木素基吸附剂和木素磺酸钠基吸附剂对硝酸盐的吸附容量相对较好,而有机提取木质素基吸附剂对重铬酸钾的吸附效果相对较好。
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