疏水性纤维素气凝胶球的制备及其吸附性能研究
2022-08-14
来源:爱问旅游网
第38卷第1期 2018年2月 林 产 化 学 与 工 业 Chemistry and Industy of Forestr Products Vol_38 No.1 Feb.2Ol8 ·特邀论文· doi:10.3969/j.issn.0253-2417.2018.01.002 疏水性纤维素气凝胶球的制备及其吸附性能研究 _ 摘LIU Zhiming 刘志明 ,吴鹏 , (1.东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040; 2.汉中职业技术学院药学与医学技术系,陕西汉中723000) 要: 以氢氧化钠/尿素/水作为纤维素溶剂,采用液滴悬浮凝胶法、冷冻干燥和表面硅烷基化 改性得到疏水性纤维素气凝胶球(HCAB)。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱 (FrI’一IR)、x射线衍射(XRD)、x射线光电子能谱(XPS)和比表面积及孔隙度测定(BET法)等检 测手段对改性前后的纤维素气凝胶(UCAB)和HCAB的形貌、化学态、晶型结构和孔隙结构进行了分析。同时,通过 接触角和吸附实验对样品的润湿性和吸附性能进行测定。研究表明:十八烷基三氯硅烷(OTS)的引入没有改变 UCAB的形态特征与结晶结构,而使合成的HCAB具有很好的疏水亲油特性;HCAB表观密度为17.6 mg/CB。,总孔体 积达56.11 cm /g,对不同密度的有机液体都具有良好的吸附作用,吸附量在3O~60 g/g范围,而且吸附后球形形态保 持稳定;HCAB重复使用率高,对甲苯重复吸附一脱附5次后吸附量稳定在4O g/g以上,并且吸附剂回收率没有明显 变化。 关键词: 纤维素;气凝胶球;表面疏水化;吸附性能 中图分类号:TQ35 文献标识码:A 文章编号:0253.2417(2018)01.0009.09 引文格式:刘志明,昊鹏.疏水性纤维素气凝胶球的制备及其吸附性能研究[J].林产化学与工业,2018,38(1):9—17. Preparation of Hydrophobic Cellulose Aerogel Beads and Its Adsorption Performance LIU Zhiming .WU Peng ,。 (1.College of Material Science and Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China;2.Department of Pharmacy and Medical Technology,Hanzhong Vocational Technical College,Hanzhong 723000,China) Abstract:Take NaOH/urea aqueous system as solvent,hydrophobic cellulose aerogel beads(HCAB)were fabricated by the process of droplet suspension gelation,freeze—drying and surface silylanization.Morphology,chemical state,crystal form and pore structure of HCAB were characteirzed and analyzed by scanning electron microscopy(SEM),fourier transform infrared spectroscopy(FT—IR),X-ray difraction(XRD),X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)and BET method.Meanwhile, wettability and adsorption performance of HCAB were measured by the contact angle and oil adsorption test.The results showed that the sitation caused no change to microscopic feature and crystalline structure of original regenerated cellulose aerogel beads (UCAB),this reaction OCCUrs only in the surface of hydrophilic hydroxyl groups of cellulose,hydrophilic cellulose aerogel beads with good hydrophobic properties.The performance density and totl pore volaume of HCAB was 17.6 mg/cm and 56.1 1 cm /g, respectively.At the same time HCAB possessed well adsorptive selectivity for non—polar solvent in the test of adsorption,the bsorbing capaciaty to diferent density of non-polr solventa such as n-hexane,toluenechloroform and SO on was in the range of ,收稿日期:2017—04—05 基金项目:林业公益性行业科研专项资助(201504602.5);黑龙江省自然科学基金项目资助(C2015055);浙江省林业工程重中之重 级学科开放基金重点项目资助(20141ygcz002) 作者简介:刘志明(1971一),男,黑龙江明水人,教授,博士,博士生导师,主要从事生物质材料化学、纤维素气凝胶和纳米纤维素、 木质素及其复合功能材料研究;E-marl:zhimingliuwhy@126.conl。 一10 林产化学与工业 第38卷 30—60 g/g.Besides HCAB also possessed well reusability.the adsorbing capacity to methylbenzene was stable in 40 g/g in 5 times of adsorption—desorption,and maintained high structure stability. Key word:cellulose;aerogel beads;surface hydr0phobization;absorption performance 目前,工业废水和石油泄漏所导致的浮油污染问题越来越多地受到人们的关注,解决此问题主要有 物理方法(利用吸附剂、燃烧剂、机械装置进行浮油回收)、化学方法(利用分散剂、固化剂进行浮油去 除)及生物方法(利用天然微生物进行浮油降解)¨J。对着火及其他紧急情况下,利用吸附剂进行浮油 处理,是一种简单、安全、便捷的方法 2 J。传统的吸附剂(如稻草、锯木屑和木炭等)存在着选择性差、吸 附效率低、不利于回收等问题,而聚丙乙烯纤维等合成的高分子吸附剂,可吸附超过自身l5倍质量的 油,具有表观密度(50~90 mg/cm。)大的特点,但是吸附油污的过程中,自身质量的损失超过50%_3 J,不 利于回收和重复利用。纤维素是世界上最丰富的天然高分子物质,具有来源范围广、价格低廉、天然可 再生、高刚度、良好的生物相容性和降解性等特点,由此发展而来的纤维素气凝胶不仅有纤维素的特性, 而且具有气凝胶密度低、孑L隙率高的特点,在众多吸油材料中体现出独特的优势,并且有研究发现在纤 维素气凝胶上进行表面酯化和烷基化更有利于其吸附选择性的提高 。本研究以氢氧化钠/尿素/水 溶液作为纤维素的溶剂体系,采用液滴悬浮凝胶法和冷冻干燥制成粒径均一的纤维素气凝胶球 (UCAB),进一步对UCAB进行表面硅烷基化改性,合成了疏水性纤维素气凝胶球(HCAB)浮油吸附材 料,并对HCAB进行表征,分析其结构性质、吸附性能及形成机理,以期合成出一种绿色环保、稳定高效 的浮油吸附材料。 1 实验 1.1原料、试剂与仪器 竹纤维(0.166 g/km ̄38 mm),聚合度约为173(毛细管黏度法测定),纤维素质量分数为98%,浙江 省永康市明通竹炭有限责任公司;十八烷基三氯硅烷(OTS)作为疏水改性剂,纯度大于85%;氢氧化钠、 尿素、三氯甲烷、乙酸乙酯(EA)、乙酸、叔丁醇、乙醇和正己烷,均为分析纯。 OCA20型接触角测量仪,德国Dataphysics公司;QUANTA 200型扫描电子显微镜(SEM),附带能量 弥散x射线荧光光谱(EDX),美国FEI公司;MAGNA IR 560型傅里叶变换红外光谱仪(FT—IR),美国 NICOLET公司;D/MAX.RB型x射线衍射仪(XRD),日本RIGAKU公司;THERMO型x光电子能谱 (XPS),美国热电有限公司;ASAP 2020型比表面积和孑L隙率测定仪,美国MICROMERT1CS公司。 1.2样品制备 1.2.1纤维素气凝胶球(UCAB) 参照文献 。卜引采用液滴悬浮凝胶法制备。将7 g氢氧化钠、12 g尿 素、81 g水和1 g天然竹纤维在一l2 c(=的条件下搅拌溶解,离心收集上清液,得到质量分数约为l%的透 明纤维素溶液。配制CHC1 /EA/CH COOH(体积比3:3:1)的酸性混合溶液,然后用2.5 mL的滴管将 透明纤维素溶液逐滴加入其中,固化5 rain后取出,用蒸馏水浸泡洗涤固化物至中性,然后依次用乙醇 和叔丁醇分别置换3次,冷冻干燥处理后得到纤维素气凝胶球(UCAB)。 1.2.2疏水性纤维素气凝胶球(HCAB) 将1 g UCAB溶于50 mL的OTS/正己烷(体积比1:100)溶液 中,室温,反应12 h后取出样品,用正己烷浸泡洗涤样品3次除去附着在样品表面的改性剂及其它小分 子副产物,自然通风12 h后将样品置于真空干燥箱中,在60℃真空干燥24 h制得疏水性纤维素气凝胶 球(HCAB) , 。 1.3样品的形貌和结构表征 样品的微观形貌和元素分布采用SEM和EDX进行观察和测试;采用Frr—IR对样品的化学态进行 测定,扫描范围为650~4000 cm。。;采用XRD对样品的相结构进行分析测定,测试条件为室温,cu靶Ka 辐日,j-.JJfJ速}U乐40 ,电流50 mA,扫描速度4(。)/min;样 的表向元策fII价念果川XI S进行分析,×寸 C、0和si元素进行离分辨牢扫描;采用比表 不1】扎隙牢测定仪(BET法)×、r样t fi ̄j<L隙结构进行分析, 测定条件为液 (77 K)卜N 2吸附一脱附,AI:() 作为参比物;样品的润 悱采川接触ffj洲髓仪进行分析, 测试溶剂为 离f水币l1正己烷,用量为5 。 1.4样品吸附性能测试 1.4.1 对不同有机液体的吸附 取20 mg(‰)的ItCAB佯品,存窄温f 分圳吸附5·ul 的 己烷、 醇、【l1苯、液体 {、崇籽洲1、做榄fI}I、 氯 烷、环 烷和柴油,吸附10· .然 川纱 除上多余Ii歧附 物.称鞋吸附后lIC ̄\B的质量(Iil ),按下式汁算【I殷附 ((J): =(r『Jl一川())/m【 】I.4.2 对甲苯吸附的重复使用性能 取20 mg(Ⅳ )的ftCAB,吸附5 ml I1i 10 lllill, {l十 I.4.I 公 式计算 口及附{l ,做ltCAB吸附的甲苯通过减 蒸馏方法去除,称h}此}J1 I1f帔附制的质城(m )、得fII ItCAB同收率(r, , /『77 x100%),重复I 述步骤5次,/MN.I-Il每 次的…摧『I』支附 fI】J AB 收卒 2结果与讨沦 2.1结构表征与分析 2.1.1 SEM和¨) 分析 I冬{1为UCAB H【:AB样M的形态照片和SEM I冬 a.UCAB 照片pholo:b.UCAB SEM. surface:C UCAB SEM.内 inside:l{I 1(、AI3. 片 photo:c,HCAB.SEM 丧 surlhce:f I{(’AB.SEM 表面surface 图1 UCAB(a)和HCAB{b)的形态照片和SEM图 Fig.1 Photographs and SEM images of UCAB(a)and HACB(b) th l_1丁 ,纤维索 凝 球(UCAB) 疏水性纤维豢 凝胶球(ItCM{)1}_;I5 良 的球形形念, HCAB的球形直 约 2.1 1 nllll、密度为17.6 mg/cm , 比UCAB的球形l l: II ̄ftE J 0.35 IllJ 牛fi心的 密 提高了6。4 lng lI11 LICAB和HCAB样I 的SEM亦 的大 1 由 l(h)fl1( )fIj‘ ,HCAB 比 络收缩,ft HC,XB整体f UCAB,呈现网络收缩肜成的渭铍形态;由 1(t·)和(f)呵知,HCAB的纤维粜凝胶网络密集度比UCAB 此,推测 凝胶球表面硅烷基化过 rfI.正己烷的去除会使气凝 仍为纤维素纤维 纵的网络多孔结构 纤维索气凝胶改性 后庀素种类和含{lt的变化 2 南 2町 ,L!CAB终0 J1S改tf牛后,合成丧 l2 林产化学与工业 第38卷 面和内部都含有si元素的HCAB,Si的质量分数分别为9.41%和4.63%。Si元素的存在也表明OTS试 剂与UCAB表面的羟基通过硅烷化作用连接在一起,并且OTS试剂对UCAB的硅烷基化作用外部远大 于内部,表明合成的HCAB表面有更强的疏水选择性 。 1.O 0.5 O 1 2 k v 3 结合能,4 结合能,kev 1 结合能2 ,kev 3 4 a.UCAB,内部insi ̄;b.HCAB,表面s ̄face;c.HCAB,内邵inside 图2样品表面和内部的EDX能谱 Fig.2 EDX spectra of surface and i ̄ide 2.1.2 FT.IR和XRD分析 图3为UCAB和HCAB的红外光谱图。由图3可知,HCAB相比于改性前 的UCAB,在2919和2851 cm 处C—H的不对称伸缩振动和对称伸缩振动吸收峰明显增强,在 1468 cm 处的一cH,和一cH:一中的c—H弯曲振动吸收峰也有所增强,同时在720 cm 处出现了新的 一(CH ) 一的弯曲振动吸收峰¨ ,表明OTS试剂成功引入到UCAB中。 UCAB和HCAB的XRD曲线见图4。由图4可知,UCAB和HCAB的衍射峰出现的位置相同(20为 12.1。,20.20和21.5。),分别对应II型纤维素的(101)、(1C『I)和(200)晶面 ,通过Segal经验公式¨副 计算可得UCAB和HCAB的结晶度分别为71%和69%。由此可见,OTS通过硅烷化作用连接UCAB的 过程中没有破坏UCAB的结晶结构 。 (101)(200) 3000 2000 a.UCAB;b.HCAB 波数,cnr 图3样品的FT-IR图 Fig.3 FT—IR spectra 0f samples 图4样品的XRD图 Fig.4 XRD spe曲.a 0f samples 2.1.3 XPS分析样品的XPS分析见图5。由图5可知,UCAB不含Si元素。XPS分析显示:表面C 元素为56.54%,O元素为43.46%,而改性后的HCAB含有si元素(2.2%),表面C元素增加了1O.69 个百分点,0元素降低了12.89个百分点。这是由于改性过程中引入的OTS试剂含有si元素及其高含 碳量引起的。由图5(b)和图5(C)可知,HCAB的c—C,C—H)为48.2%,比UCAB增加了36.5个百分 点。这是由于引入的OTS改性剂是表面直连烷基结构。由图5(C)可知,HCAB中Si2p在高分辨能谱 下裂分为R .SiO 和C .SiO2,两个峰的结合能分别为101.4和102.0 eV。表明OTS试剂与UCAB连接 通过Si—O—C和Si—O—Si的结合H 。 第1期 刘志明,等:疏水性纤维素气凝胶球的制备及其吸附性能研究 13 . .. 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 292 290 288 286 284 282 280 106 104 l02 100 98 结合能,ev 结合能/ev 结合能/eV d V C1f 1400 l200 l000 800 600 400 200 0 292 290 288 286 284 282 280 结合能/eV 结合能,eV a.HCAB,XPS;b.HCAB,Cls;c.HCAB,Silp;d.UCAB,XPS;e.UCAB,Cls 图5 XPS宽带扫描能谱和Cls、Si2p高分辨能谱 Fig.5 XPS spectra and high resolution Cls(Si2p)spectra 2.1.4 BET分析由图6(a)可知,UCAB和HCAB具有相同的N2吸附-脱附等温线,依据IUPAC¨ 得 出两者为Ⅳ型,在P/P。比值较高处形成H】型滞留环,由此推测UCAB和HCAB的介孑L和大孔丰富 , 而且改性后的HCAB的N 吸附量明显下降。而从由图6(b)可看出,改性后的HCAB孔径分布区域相 比UCAB多了一个新的2~5 nm的介孔分布区域。 , 基 j 咖1 基 蓝 ——口一UCAB;——o—HCAB 圈6样品的N:吸附-脱附等温线(a)和孔径分布图(b) Fig.6 Nitrogen adsorption·desorption isotherms(a)and pore size distribution{b)of UCAB and HCAB 从样品的孔隙结构特征参数(表1)可看出,OTS改性使得样品网络密集化,UCAB的BET表面积为 200.1 m /g,平均孔径为19.84 nm,微孔体积为0.005 3 cm /g,介孔体积为1.029 am /g,总孔体积为 66.89 am /g;改性后的HCAB与之相比,BET表面积降低了64.6 m /g,平均孔径降低了1.1 rim,微孔 体积增加了0.012 2 am /g,介孔体积降低了0.33 cm /g,总孔体积降低了10.78 am /g。结合图7和表 1的实验结果,可发现OTS试剂改性UCAB的过程中,溶剂正己烷的去除使得气凝胶网络收缩,N 吸附 量下降,较大直径的介孔转变为较小的介孔和微孔。因此,通过OTS试剂改性合成的HCAB较UCAB 具有更丰富的孔隙结构和更好的油脂吸附潜能 。 l4 第38罄 表1 UCAB和HCAB的孔隙特征 Table 1 Porosity characteristics of UCAB and HCAB 2.1.5 润湿性分析 L JCAB和HCAB的润湿性和吸附水/油后的结构稳定性-『 图7和图8。由罔7 _l丁知,在业甲 监染包的水中,经OTS试剂改性合成的HCAB稳定漂浮 水『flI,从水中取…后,不沾染 水,而术改性的UCAB迅速溶解于水中,说日』】HCAB的疏水性极高. .【}l f纠8可知,水滴钱于[fCAB上能够保持原有的球形形态,但是湘滴彳6{快做LfCAB吸附,HCAB在 两种状态下都能保持 有气凝胶球的形态。水滴和油滴置于UCAB上术能保持原有球形形态,而 气 凝胶球发牛明!llj-的塌陷..说明改性后的HCAB疏水亲油,且选择性高。符合浮 上除的特点。 图7 HCAB(a)和UCAB(b)在亚甲基蓝染色的水中的照片 Fig.7 Photographs of HCAB(a)and UCAB(b)in a glass of water(colored with methylene blue for clarity) UCAB接触水滴和;I{1滴发生球形塌陷主要足液体与气凝胶球接触.产 毛细锊作用使得纤维素网 络间接触,纤维索网络卜的羟基接触后会形成氢键,从而导致球形的塌陷 OTS试剂合成HCAB的 过程巾,溶 ̄1]it 烷的去除使得纤维素网络收缩平衡,烷基化作用使得0 FS试剂tj UCAB表面羟基结 合,纤维素网络I 氖键作用较【|cAB显著降低,且OTS试剂问的范德f 力远小1l氢键 因此,油滴与 HCAB接触后,能傲快速地吸收且不会破坏气凝胶球形结构,使得HCAB能够承复使用 疏水剂(OTS) 使得HCAB高选择地吸收浮油 J。 一a a.HCAB,水wat—b er;b HCAB,油oi醴l:c UCAB,水c water:d.UCAB,油d 。 图8 HCAB和UCAB与水滴或油滴表面接触图 Fig.8 Images of water or oil droplets on the surfaces of samples 2.2形成机理分析 纤维素气凝胶球(UCAB)经过OTS试J戈IJ合成疏水性纤维素气凝胶球(HCAB)的机理如下 所示: 第1剐 刘忠明,等:疏水性纤维素气凝胶球的制备技其吸附性能研究 “ ’ 。一 一疏水性的HCAB . .2.3吸附性能分析 UCAB 一HCAB UCAB表向上的吸附水易与疏水改性剂(OTS)结合生成R—Si(OH) , 于UCAB的纤维素网络上 存仵夫量的羟基,R.Si(OH) 上的Si~0H uCAB表If『『的一OH反 生成si一(1一c以及si一()H自身 相巨反应,卜成Si一0一Si,使得OTS试剂覆盖在ucAB的纤维表面.屏蔽_r UCAB的亲水性羟基,生成 HCAB对浮油(油红O染色的}}{笨)的吸附效果 冈9。f}1图9¨f ,HCAB能 lOs 吸附漂浮在 水晒I 的叶】苯,并且以球形的形态闭聚在一起漂浮 在水的 。 HCAB对柴油、食用植物油等9种有机液体的 口及附实验数据见表2。山表2可知,HCAB对不同 密度的订机液体都 仃很好的吸附去除能力,吸附 选择性良好,吸附艟维持在30~60 g/g,孔隙填充 率往吸附过程巾可达80%~90%,其中HCAB对 a吸附前belbrc adsorption:b吸附后algol‘adsorption 图9 HCAB对水面上甲苯(用油红0染色)的吸附 Fig.9 Toluene(colored with oil red 0) 011 the water adsorbed by HCAB 柴油的吸附效果最好..【}1文献可知,与门身质量相 比,尢纺 的油吸附 达9~15倍 ,聚合物吸油 材料达5~25倍 ,海绵石墨烯达20~86倍 , 掺硼碳纳米管海绵达25~125倍 。,碳纳米纤维气凝胶达106~312俯 。,绞捻碳纤维( FCF)气凝胶达 50~192倍 。与J 述吸油材料相比,虽然HCAB的 吸附量比较遁『fI,但是具有制备I 简单、价l}各 低廉的优越性. .表2 HCAB对不同有机液体的吸附效果 Table 2 Sorption eficifency of the HCAB aerogel for various organic liquids 16 林产化学与工业 第38卷 HCAB对甲苯吸附的重复使用性能见表3。由表3可知,对甲苯吸附-脱附5次后,HCAB的甲苯吸 附量仍达4O g/g以上,与第一次甲苯吸附量相差 表3 HCAB对甲苯吸附的重复使用性能 不大,并且吸附剂回收率没有明显变化,具有很好Table 3 Reusability of HCAB aerogel absorbents for 的重复使用性。因此,HCAB是一种具有良好疏 so Pno“of to‘uene 水性的、结构稳定性的、可悬浮的、可重复利用的重复使用次数 甲苯吸附量/(g·g。) 吸附剂nl ̄/% 环境友好的浮油吸附材料。 :::竺竺竺 !! !竺!! 竺 竺 !!::竺 !:::竺 3结论 3.1 采用液滴悬浮凝胶法和冷冻干燥制备纤维 素气凝胶球(UCAB),并通过表面硅烷基化处理 得到疏水性纤维素气凝胶球(HCAB),采用SEM、 Fr.IR、XRD和XPS等检测手段进行了分析,结果表明:UCAB表面羟基与十八烷基三氯硅烷(OTS)结 合使得合成的HCAB疏水性极高;相比UCAB,HCAB具有新的2~5 nin的介孔分布区域,表观密度为 17.6 mg/cm ,总孔体积达56.11 am /g。 3.2 HCAB具有良好的吸附选择性,对不同密度的有机溶剂的吸附量均在3O~60 g/g范围内,同时 HCAB还具有良好的重复使用性能,在对甲苯吸附一脱附5次后,HCAB的甲苯吸附量仍达4O g/g以上, 并且保持了较高的结构稳定性。 3.3 HCAB是一种疏水性好、稳定高、悬浮性好、重复利用率高、环境友好的浮油吸附材料,在着火和其 他紧急情况下,由于其自身的良好便捷性和疏水亲油的高选择性,相比其他浮油吸附剂有着独特的 优势。 参考文献: [1]CHOI H M,CLOUD R M.Natural sorbents in oil spill cleanup[J].Environmental Science and Technology,1992,26(4):772—776. 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