秸稈基水凝膠的研制與吸附性能研究.pdf

1、本論文在綜合國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，采用水溶液聚合的方法，以農(nóng)作物秸稈為骨架，以氫氧化鉀中和的丙稀酸（AA）為親水性基團(tuán)進(jìn)行接枝共聚，然后分別與非離子型線性高分子聚合物（聚乙烯醇PVA）和陽(yáng)離子型線性高分子聚合物（聚二甲基二烯丙基氯化銨PDMDAAC）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互穿，研制出具有半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的秸稈基水凝膠;研究了合成工藝條件對(duì)秸稈基水凝膠性能的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化合成工藝、確定最佳反應(yīng)參數(shù)，并對(duì)秸稈基半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征與

2、分析。在此基礎(chǔ)上，選用性能優(yōu)異的秸稈纖維素接枝丙稀酸鉀/聚乙烯醇半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠(WSC-g-PKA/PVAsemi-IPNs水凝膠)為研究對(duì)象，在研究水凝膠吸水保水性能及機(jī)理的基礎(chǔ)上，探討水凝膠對(duì)典型污染物（氮、磷、重金屬）的吸附性能和行為，揭示秸稈基半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠與各污染物相互作用的機(jī)理;針對(duì)吸附重金屬離子后的秸稈基半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，探索性研究水凝膠用于金屬納米粒子轉(zhuǎn)化，分析納米金屬催化性能，實(shí)現(xiàn)重金屬的原位再利用。主要研究?jī)?nèi)容及

3、結(jié)果如下:
　　(1)通過(guò)進(jìn)行秸稈纖維素與丙烯酸鉀的接枝共聚反應(yīng)，然后分別與PVA和PDMDAAC共混形成聚合物半互穿，合成兩種不同的秸稈基半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠。運(yùn)用單因素實(shí)驗(yàn)分析不同合成條件對(duì)水凝膠性能的影響，并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定最佳工藝及參數(shù)。利用FTIR、SEM和TGA表征了水凝膠的結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果表明，WSC-g-PKA/PVAsemi-IPNs水凝膠最佳的合成條件:m(WSC)∶m(AA)∶m(PVA)=1∶10∶2,m(K2

4、S2O8)∶m(AA)=2％,m(MBA)∶m(AA)=0.4％,AA的中和度為65％,反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)時(shí)間為4h;該水凝膠在去離子水、0.9wt％鹽水中的最大吸水率分別為266.82g/g、34.32g/g;WSC-g-PKA/PDMDAACsemi-IPNs水凝膠最佳的合成條件:m(WSC)∶m(AA)∶m(PVA)=1∶8∶1.8,m(K2S2O8)∶m(AA)=1.5％,m(MBA)∶m(AA)=0.3％,AA的中和度為7

5、5％，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間為3h;該水凝膠在去離子水中的最大吸水率為210.57g/g，在0.9wt％鹽水中的最大吸水率為22.13g/g;通過(guò)對(duì)比，在最優(yōu)合成條件下WSC-g-PKA/PVAsemi-IPNs水凝膠相對(duì)WSC-g-PKA/PDMDAACsemi-IPNs水凝膠具有更好的吸水性能。
　　(2)對(duì)WSC-g-PKA/PVAsemi-IPNs水凝膠在不同條件下的吸水性和保水性進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過(guò)研究對(duì)比不同條件下W

6、SC-g-PKA/PVAsemi-IPNs水凝膠和WSC-g-PKA水凝膠的吸水動(dòng)力學(xué)，明確了經(jīng)PVA半互穿的水凝膠比普通水凝膠具有更好的吸水量和吸水速率，水凝膠的吸水過(guò)程分別受溶液pH值、鹽離子種類(lèi)及濃度、顆粒粒徑以及反應(yīng)溫度等因素的影響:水凝膠在pH為6的條件下有最大的吸水能力，不同陽(yáng)離子對(duì)吸水行為的影響從小到大依次為:Na+＜K+＜Mg2+＜Ca2+，陰離子的影響大小為:Cl-＜SO42-;在低離子濃度下，水凝膠有較快的吸水溶脹速

7、率和較高的平衡吸水量;水凝膠粒徑越小，吸水速率和平衡吸水量越大;溫度適當(dāng)升高有利于水凝膠的吸水量增高和吸水速率加快，但是溫度過(guò)高也會(huì)引起吸水量和吸水速率的降低。通過(guò)測(cè)試水凝膠在自然條件下、在土壤中以及加壓條件下的保水能力，表明水凝膠具有較好的抗壓效果和機(jī)械強(qiáng)度，因此水凝膠在土壤保水、作為軟模板用于納米金屬制備等領(lǐng)域具有較高的潛力。
　　(3)系統(tǒng)研究了WSC-g-PKA/PVAsemi-IPNs水凝膠在水環(huán)境中吸附NH4+和PO4

8、3-的性能與機(jī)理，并考察不同環(huán)境條件(pH值、鹽離子濃度、污染物初始濃度和時(shí)間)對(duì)吸附性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)pH=4.0～9.0時(shí)，水凝膠對(duì)NH4+和PO43-均有較好的吸附效果;在不同的鹽溶液中，水凝膠對(duì)NH4+和PO43-的吸附量大小依次為:NaCl＞MgCl2＞FeCl3＞CaCl2。將吸附實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)利用Freundlic吸附等溫模型進(jìn)行回歸分析，擬合效果良好，說(shuō)明水凝膠對(duì)NH4+、PO43-的吸附為不均勻多層吸附。偽二級(jí)方程

9、對(duì)吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程的擬合度最高，這表明在吸附過(guò)程中原子價(jià)力起主要作用;并且整個(gè)吸附過(guò)程存在顆粒間的擴(kuò)散，但該擴(kuò)散不發(fā)生在速控階段。吸附了氮、磷的秸稈基水凝膠可以直接還田用于土壤氮、磷及水分的調(diào)控，也可以利用NaOH再生，多次再生循環(huán)使用后，水凝膠仍保持較好的吸附性能。
　　(4)研究了合成的WSC-g-PKA/PVAsemi-IPNs水凝膠用于吸附溶液中的Ni(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)離子的行為，考察了pH值、溫度和濃度對(duì)吸附性能的影響，揭

10、示了吸附機(jī)理，并對(duì)比分析了線性最小二乘法與非線性方法在估計(jì)動(dòng)力學(xué)和等溫模型參數(shù)方面的差異。結(jié)果表明pH值在4.0～6.0之間時(shí)，水凝膠對(duì)Ni(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)均有較好的吸附效果;非線性回歸分析可以更好地獲取模型參數(shù)，偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型更適合描述整個(gè)吸附過(guò)程，此外吸附過(guò)程還包括三階段的粒間擴(kuò)散現(xiàn)象和傳質(zhì)過(guò)程;等溫條件下的吸附數(shù)據(jù)與Langmuir以及Dubinin-Radushkevic模型擬合程度良好;通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)吸附過(guò)程為一個(gè)吸

11、熱過(guò)程，以物理吸附為主。該水凝膠可以利用NaOH進(jìn)行再生，再生后的水凝膠對(duì)Ni(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)仍具有很好的吸附性能，可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。
　　(5)為了消除水凝膠吸附重金屬離子后帶來(lái)的二次污染，實(shí)現(xiàn)被吸附重金屬的循環(huán)利用，以吸附Ni(Ⅱ)之后的WSC-g-PKA/PVAsemi-IPNs水凝膠為研究對(duì)象，探討了以水凝膠為軟模板，通過(guò)原位轉(zhuǎn)化制備金屬納米粒子，構(gòu)建一種新型WSC-g-PKA/PVAsemi-IPNs水凝膠-納米金屬N

12、i(Ⅱ)復(fù)合催化系統(tǒng)的可行性。結(jié)果表明，研制的水凝膠可成功用于金屬納米粒子的轉(zhuǎn)化，得到的水凝膠-納米Ni(Ⅱ)催化系統(tǒng)對(duì)硼氫化鈉水解產(chǎn)氫具有較好的催化效果;并且隨著催化劑用量的增加，催化速率顯著升高;NaBH4溶液的濃度是影響產(chǎn)氫量的重要因素，濃度越高，產(chǎn)氫量越大;溫度對(duì)整個(gè)體系的催化分解反應(yīng)有重要影響，隨著溫度升高，催化速率不斷加快;對(duì)催化劑重復(fù)利用的研究表明，水凝膠-納米Ni(Ⅱ)可以在NaBH-4的催化產(chǎn)氫反應(yīng)中循環(huán)使用，且不影響