二羧基纤维素絮凝剂的优化制备及其阳离子化改性研究

发布时间：2017-06-10 10:35

  本文关键词：二羧基纤维素絮凝剂的优化制备及其阳离子化改性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在目前常用的废水处理过程中,絮凝沉淀是一种最有效、最直接、最经济的处理方法。尤其在去除那些含有悬浮颗粒,染料和重金属离子的废水中,絮凝沉淀法起到了特别重要的作用。在絮凝沉淀过程中所使用的化学物质称为絮凝剂。主要分为两大类:有机合成的和天然高分子基絮凝剂。目前,有机合成的絮凝剂由于其成熟的絮凝工艺和出色的絮凝能力而被广泛应用。但与此同时,存在着许多缺点,一些残留的石油类产品会对人的身体产生毒害作用,对土壤有害,产生二次污染,他们的不可降解性对天然环境也有害。目前对环境的友好性和安全性的要求不断增加,所以现在大量的研究者们(包括我们课题组)开始把重点放在了天然高分子聚合物上,由于其拥有可再生、无毒、可降解和高反应性等优点。本研究采用的原料来自于自然界中含量最丰富的纤维素—竹浆纤维素,然后将此竹浆纤维素材料作为基体去生成环境友好的功能材料,通过席夫碱路径一步法合成含有不同羧基含量的二羧基纤维素。其过程首先是利用氢氧化钠尿素溶液来溶解竹浆纤维素,然后采用一个四因素三水平的正交实验来优化醛基的含量,得到制备醛基的最优工艺是:反应温度55℃,反应时间3小时,高碘酸钠相对于纤维素重量比为1:1,纤维素溶液的浓度为2%。采用此方法得到的二醛纤维素的醛基含量为1.34 mmol/g。然后,在原体系中,继续利用残余的尿素和氢氧化钠继续反应,依靠不同的水解时间来优化羧基的含量,最终得到五种二羧基纤维素产品,含有的羧基含量分别为0.2、0.6、0.96、1.01和1.24 mmol/g。通过红外光谱、核磁共振(氢谱和碳谱)来验证纤维素分子结构的变化,热重分析、扫描电镜和XRD来探究产品各个性能的变化情况。最后我们将此二羧基纤维素产品应用于工业废水(造纸废水)领域,并通过实验发现了二羧基纤维素具有非常出色的絮凝性能,甚至优于商业的阳离子聚丙烯酰胺和聚合氯化铝,从而来部分取代传统的有机高分子絮凝剂,实现环境的友好性和生物的可持续发展性。然后将上述合成出来的羧基纤维素进行阳离子改性,通过改变(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵(CTA)与纤维素中脱水葡萄糖单元的摩尔比,来合成不同取代度的阳离子化二羧基纤维素。在一定的反应温度下60℃,一定的反应时间下8小时,合成了三种不同取代度的产品。随着CTA用量的增加,取代度相应增加,Zeta电位也上升。通过红外光谱观察分子结构的变化,扫描电镜观察纤维素形貌的变化。对这三种产品进行了对模拟高岭土废水的絮凝性能的研究,发现其对高岭土废水具有出色的絮凝能力,但在碱性条件下,絮凝性能变差甚至消失。最后我们将阳离子化二羧基纤维素应用于工业的印染废水中,通过正交实验的优化,确定出了最优的絮凝工艺。结果表明,阳离子化二羧基纤维素对于工业上的印染废水具有非常出色的絮凝能力。
【关键词】：二羧基纤维素 一步法 阳离子化 絮凝性能 工业废水
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-30
• 1.1 絮凝剂的概述10-18
• 1.1.1 絮凝剂的分类10-17
• 1.1.2 絮凝机理17-18
• 1.2 纤维素的性能及应用18-27
• 1.2.1 纤维素的结构18-19
• 1.2.2 纤维素的溶剂体系19-23
• 1.2.3 阴离子型纤维素的制备23-26
• 1.2.3.1 取代改性制备阴离子型纤维素23-24
• 1.2.3.2 氧化改性制备阴离子型纤维素24-26
• 1.2.4 阳离子型纤维素的制备26-27
• 1.2.4.1 取代改性制备阴离子型纤维素26
• 1.2.4.2 氧化改性制备阳离子型纤维素26-27
• 1.3 论文的立题依据、研究内容及创新点27-30
• 1.3.1 立题依据27-28
• 1.3.2 研究内容28
• 1.3.3 创新点28-30
• 第二章 二羧基纤维素的合成、表征及其絮凝性能研究30-51
• 2.1 前言30
• 2.2 实验部分30-36
• 2.2.1 实验药品与仪器30-31
• 2.2.2 一步法合成二羧基纤维素（DCC）31-33
• 2.2.3 二羧基纤维素的基本性质和结构表征方法33-34
• 2.2.3.1 纤维素中的醛基、羧基含量、Zeta电位和电荷密度的测定33-34
• 2.2.3.2 红外光谱分析（FT-IR）34
• 2.2.3.3 核磁共振分析（1H NMR和13C NMR）34
• 2.2.3.4 热重分析（TGA）34
• 2.2.3.5 场发射扫描电镜分析（FESEM）34
• 2.2.3.6 X射线衍射仪（XRD）34
• 2.2.4 二羧基纤维素（DCC）的絮凝性能研究34-36
• 2.2.4.1 DCC对模拟高岭土废水的处理34-35
• 2.2.4.2 DCC对造纸废水的处理35-36
• 2.3 结果与分析36-50
• 2.3.1 醛基含量的优化36-38
• 2.3.2 羧基含量的优化38-39
• 2.3.3 红外光谱分析（FT-IR）39
• 2.3.4 核磁共振分析（~1H NMR和~(13)C NMR）39-41
• 2.3.5 热重分析41
• 2.3.6 场发射扫描电镜41-42
• 2.3.7 X射线衍射42-43
• 2.3.8 DCC对模拟高岭土废水的处理43-49
• 2.3.8.1 助凝剂CaCl_2用量的优化43-44
• 2.3.8.2 溶液的pH对氯化钙助凝的优化44-46
• 2.3.8.3 DCC用量对助凝-絮凝的影响46-47
• 2.3.8.4 DCC用量对絮凝后絮状物的尺寸的影响47-48
• 2.3.8.5 高岭土溶液的pH对助凝-絮凝的影响48-49
• 2.3.9 二羧基纤维素絮凝工业上的造纸废水的探究49-50
• 2.4 本章小结50-51
• 第三章 阳离子化二羧基纤维素的合成、表征及其絮凝性能研究51-67
• 3.1 前言51
• 3.2 实验部分51-56
• 3.2.1 实验药品与仪器51
• 3.2.2 制备阳离子化二羧基纤维素（CDCC）51-53
• 3.2.3 对阳离子化二羧基纤维素进行测定N元素、取代度和Zeta电位53
• 3.2.4 红外光谱分析53
• 3.2.5 场发射扫描电镜53
• 3.2.6 絮凝高岭土溶液性能的探究53
• 3.2.7 絮凝印染废水性能的探究53-56
• 3.3 结果与分析56-66
• 3.3.1 阳离子化二羧基纤维素的合成56-57
• 3.3.2 红外光谱分析（FT-IR）57
• 3.3.3 场发射扫描电镜57-59
• 3.3.4 絮凝高岭土溶液性能的探究59-63
• 3.3.4.1 CDCC1用量对絮凝的影响59-60
• 3.3.4.2 CDCC2用量对絮凝的影响60-61
• 3.3.4.3 CDCC3用量对絮凝的影响61-62
• 3.3.4.4 高岭土溶液的pH值对CDCC絮凝的影响62-63
• 3.3.5 絮凝印染废水性能的探究63-66
• 3.4 本章小结66-67
• 第四章 结论与展望67-69
• 4.1 结论67-68
• 4.2 展望68-69
• 参考文献69-78
• 附录78-79
• 致谢79

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