功能性纖維素氣凝膠的制備及其在水凈化中的應(yīng)用研究.pdf

1、在世界各國均面臨著石化資源日益匱乏和環(huán)境問題日益惡化的背景下，利用豐富的農(nóng)林生物質(zhì)資源，開發(fā)環(huán)境友好、可循環(huán)利用的生物質(zhì)基功能材料，最大限度地替代或部分替代石油基材料并應(yīng)用于各個領(lǐng)域，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。纖維素作為地球上含量最豐富的天然高分子材料，具有可再生、生物可降解、生物相容、機械性能好、易化學改性等諸多優(yōu)異性能，因此，采用綠色化學技術(shù)，研究和開發(fā)纖維素基功能材料一直是化工、材料、能源環(huán)境、生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域的重要研究

2、課題。
　　本論文以廢棄棉纖維為纖維素原料，通過綠色、溫和、簡單的工藝技術(shù)制備了一種低密度、高孔隙率的纖維素氣凝膠，考察了不同纖維素濃度對其形態(tài)結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)等的影響。在此基礎(chǔ)上，利用甲基三氯硅烷(MTCS)對纖維素氣凝膠進行化學改性，制備了疏水性纖維素氣凝膠，研究了疏水性纖維素氣凝膠的油水分離性能;另一方面，采用化學原位沉積法制備了纖維素/氧化石墨烯/氧化亞銅(CE/GO/Cu2O)三元雜化氣凝膠，進一步研究了三元雜化纖維素氣凝

3、膠對有機染料甲基橙的可見光催化降解性能。論文研究結(jié)果如下:
　　(1)纖維素氣凝膠的制備及其物化性能:以廢棄棉纖維作為纖維素原料，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，采用冷凍干燥技術(shù)制備出具有三維連通多孔結(jié)構(gòu)的纖維素氣凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，纖維素溶液濃度對其凝膠化時間、氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)及力學性能等均具有顯著影響。室溫條件下，當纖維素濃度從2wt％提高到4wt％時，凝膠化時間從265min縮短到165min;所得纖維素氣凝膠的孔徑由0.05

4、-4μm增大至200μm，其密度相應(yīng)的由0.027增加至0.056g cm-3，孔隙率均高達96％以上，呈現(xiàn)出良好的三維多孔結(jié)構(gòu);同時，所制備的纖維素氣凝膠具有優(yōu)異的力學性能，當其壓縮形變?yōu)?0％時，纖維素氣凝膠(2-4wt％)的壓縮強度達到1.10-3.85MPa。
　　(2)疏水性纖維素氣凝膠的制備及其油水分離性能:采用化學氣相沉積法(CVD)對濃度為2wt％的纖維素氣凝膠進行硅烷化改性，得到疏水性纖維素氣凝膠。FTIR、XP

5、S等分析結(jié)果表明，MTCS與纖維素分子表面的羥基形成了C-O-Si共價結(jié)合，從而賦予了纖維素氣凝膠優(yōu)異、持久的疏水性能。接觸角測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)硅烷化改性的纖維素氣凝膠表面水接觸角達到141°，內(nèi)部的接觸角也達到了128.4°，5天后，其表面接觸角仍保持在131°。這主要得益于纖維素氣凝膠相互貫通的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);對不同油類和非極性有機溶劑的吸附性能研究發(fā)現(xiàn)，疏水性纖維素氣凝膠呈現(xiàn)出優(yōu)良的油水分離能力，其對泵油、植物油、氯仿和甲苯的吸附量分別高

6、達59.32、55.85、46.23和40.16gg-1;此外，通過簡單的吸收擠壓方式即可以實現(xiàn)循環(huán)油水分離，經(jīng)十次循環(huán)后，疏水性纖維素氣凝膠對泵油和氯仿的吸附量仍分別達到37.5g g-1和38gg-1，具有良好的循環(huán)使用性能。
　　(3)CE/GO/Cu2O三元雜化氣凝膠的制備及其光催化性能:將纖維素氣凝膠的大比表面積和高吸附能力與氧化亞銅(Cu2O)的可見光催化活性相結(jié)合，采用化學原位沉積法制備了CE/GO/Cu2O三元雜化

7、氣凝膠。SEM觀察發(fā)現(xiàn)，正八面體的Cu2O納米顆粒均勻地鑲嵌在三元雜化氣凝膠的孔壁上，有效地抑制了納米顆粒的團聚;UV-vis漫反射光譜和PL光譜分析表明，與純Cu2O相比，纖維素氣凝膠和氧化石墨烯的引入，不僅擴展了CE/GO/Cu2O三元雜化氣凝膠的光吸收能力，同時還提高了光生電子和空穴的分離效率;經(jīng)350W氙燈模擬光照120分鐘，MO的光催化降解率可達92％，經(jīng)5次循環(huán)后，對MO的光催化降解率仍保持在80％，展現(xiàn)出良好的光催化穩(wěn)定性