CN107649100A - 一种利用木质素制备水处理材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用木质素制备水处理材料的方法，方法为：将木质素配制成水溶液，经冷冻干燥后得到木质素气凝胶，将得到的木质素气凝胶置于管式炉中于氩气气氛中进行热处理，冷却后即得到所述的水处理材料。本发明通过热处理方法将木质素前驱体交联后，制备成多孔结构的木质素基水处理材料，不仅能够保持木质素结构中的重要官能基团，又避免了其在水体中的扩散，促进木质素在水处理中的应用，本发明制备方法简单，所制备的水处理材料由于具有气凝胶结构，同时还保留了木质素结构中重要官能基团，因而对污染物具有较好的吸附效果。

Description

一种利用木质素制备水处理材料的方法
技术领域
本发明属于水处理材料制备领域，具体涉及一种利用木质素制备水处理材料的方法。
背景技术
水环境的治理是当今世界的重要课题，对污染物有高效的吸附能力，且价格低廉的水处理材料一直是科研工作者开发的重要目标。
木质素结构中含有大量的芳香基团、烷羟基、酚羟基、羧基等官能团，能够直接吸附部分重金属以及有机污染物，而且木质素在自然界中的含量丰富，其含量仅次于纤维素，目前木质素在生产生活中多作为造纸业的废弃物被丢弃，造成环境污染，因此开发木质素的高附加值应用，不仅可以将废弃的木质素加以利用，减少对环境的污染，而且由于其价格便宜，来源不受限制，近年来受到广泛关注。
但是，由于木质素结构中含有羟基、羧基等水溶性基团，若是直接将其作为吸附材料吸收水体中的污染物，则难以发挥吸附效果，且会使木质素本身分散到水体环境中，容易造成二次污染。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种利用木质素制备水处理材料的方法，解决利用木质素吸附污染物时，木质素易分散在水体环境中造成二次污染的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用木质素制备水处理材料的方法，方法为：将木质素配制成浓度为1~100mg/L的水溶液，经冷冻干燥后得到木质素气凝胶，将得到的木质素气凝胶置于管式炉中于氩气气氛中250~500℃进行热处理，冷却后即得到所述的水处理材料。其中热处理温度可进一步优选为300~350℃。
作为优选，所述木质素水溶液浓度为1~10mg/L。木质素水溶液浓度越低，气凝胶的密度也越低，比表面积会越大，热处理时交联效果就越好，对污染物的吸附效果越佳，但是浓度太低则制备效率和产率均会下降。
作为优选，热处理时间为1~2h。
作为优选，所述木质素为碱木质素。
本发明木质素水溶液可在液氮中冷冻，也可以采用冰箱冷冻。采用液氮冷冻速度快，冰块的生长时间短，木质素分散在冰块中的尺寸更小，有利于提高干燥后的木质素气凝胶的强度。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过热处理将木质素前驱体交联后，制备成多孔结构的木质素基水处理材料，不仅能够保持木质素结构中的重要官能基团，又避免了其在水体中的扩散，促进了木质素在水处理中的应用，其中，通过冷冻干燥可提高木质素分子间的接触面积，因而促进了木质素分子间热处理的交联效果。
2、本发明利用废弃的木质素，通过冷冻干燥和热处理即可制备得到木质素基水处理材料，制备方法简单，所制备的水处理材料由于具有气凝胶结构，同时还保留了木质素结构中重要官能基团，因而对污染物具有较好的吸附效果。
3、本发明通过冷冻干燥制备得到不同密度的木质素气凝胶，由于不同的浓度范围，冷冻干燥后的木质素形貌不同，可通过调节木质素水溶液浓度调控木质素前驱体及交联产物的形貌结构，通过调节热处理温度，控制所制备的水处理材料的化学成分。
4、本发明方法不需要使用其他交联试剂或有机溶剂，对环境友好，而且操作简单方便，更重要的是，通过本发明方法制备出来的交联木质素由于有较大的比表面积，因此对污染物吸附效果更佳。
附图说明
图1为实施例1~4制备的水处理材料的扫描电镜图；
图2为实施例4~7制备的水处理材料的红外光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
以下实施例使用的木质素均为碱木质素，并按照常规方法配制成水溶液。
实施例1
将木质素溶解于水中，配制100 mg/L浓度的木质素水溶液，将木质素溶液在液氮中快速冷冻后，并冷冻干燥，制备得木质素气凝胶。将木质素气凝胶置于管式炉中，在氩气气氛及300℃条件下热处理1小时，冷却后制备得微观为片状的交联木质素气凝胶，化学成分含游离的木质素，木质素部分交联。
其中，产物可通过红外光谱分析，以及将其用水分散，测定分散后水的紫外光谱图，如果紫外有吸收，则表明有游离的木质素，以下实施例的判断方法如此相同。
实施例2
将木质素溶解于水中，配制10 mg/L浓度的木质素水溶液，将木质素溶液在液氮中快速冷冻后，并冷冻干燥，制备得木质素气凝胶。将木质素气凝胶置于管式炉中，在氩气气氛及300℃条件下热处理1小时，冷却后制备得微观为片状的交联木质素气凝胶，化学成分含游离的木质素，木质素部分交联。
实施例3
将木质素溶解于水中，配制5 mg/L浓度的木质素水溶液，将木质素溶液在液氮中快速冷冻后，并冷冻干燥，制备得木质素气凝胶。将木质素气凝胶置于管式炉中，在氩气气氛及300℃条件下热处理1小时，冷却后制备得微观为片状的交联木质素气凝胶，木质素基本交联。
实施例4
将木质素溶解于水中，配制1 mg/L浓度的木质素水溶液，将木质素溶液在液氮中快速冷冻后，并冷冻干燥，制备得木质素气凝胶。将木质素气凝胶置于管式炉中，在氩气气氛及300℃条件下热处理1小时，冷却后制备得微观为纤维状的交联木质素气凝胶，木质素大部分发生交联。
实施例5
将木质素溶解于水中，配1 mg/L浓度的木质素水溶液，将木质素溶液在液氮中快速冷冻后，并冷冻干燥，制备得木质素气凝胶。将木质素气凝胶置于管式炉中，在氩气气氛及350℃条件下热处理1小时，冷却后制备得微观为纤维状的交联木质素气凝胶，木质素大部分发生交联。
实施例6
将木质素溶解于水中，配1 mg/L浓度的木质素水溶液，将木质素溶液在液氮中快速冷冻后，并冷冻干燥，制备得木质素气凝胶。将木质素气凝胶置于管式炉中，在氩气气氛及400℃条件下热处理1小时，冷却后制备得微观为纤维状的交联木质素气凝胶，木质素少量碳化。
实施例7
将木质素溶解于水中，配1 mg/L浓度的木质素水溶液，将木质素溶液在液氮中快速冷冻后，并冷冻干燥，制备得木质素气凝胶。将木质素气凝胶置于管式炉中，在氩气气氛及500℃条件下热处理1小时，冷却后制备得微观为纤维状的交联木质素气凝胶，木质素部分碳化。
实施例8
将木质素溶解于水中，配1 mg/L浓度的木质素水溶液，将木质素溶液在液氮中快速冷冻后，并冷冻干燥，制备得木质素气凝胶。将木质素气凝胶置于管式炉中，在氩气气氛及250℃条件下热处理1小时，冷却后制备得微观为片状的交联木质素气凝胶，化学成分含游离的木质素，木质素没有完全交联。
图1中（1）、（2）、（3）、（4）分别为实施例1、2、3、4所制备的水处理材料的扫描电镜图，由图1可以看出，随着冷冻干燥木质素浓度的降低，木质素形貌由很厚的大块的片状转变为薄的小块的片状，当木质素浓度在5mg/mL以下时，由于木质素浓度过低，其在冰块中的分布不能够支撑形成连续的片状结构，由片状组件变为纤维状。
图2为实施例4~7制备的碳材料的红外光谱图，由图可以看出，当木质素在相对较低温度如300、350℃时，其化学官能团如酚羟基等能够很好地保存下来，当温度进一步升高，由于木质素材料的碳化等原因，其有效官能团逐渐减少。
应用试验
配制初始浓度分别为10mg/L的罗丹明B溶液和30mg/L的铜离子溶液，将其用于测试实施例4和实施例5制备的交联木质素气凝胶的吸附性能。
测试方法为：将制备的交联木质素气凝胶均匀分散于待处理的溶液中，放置在振荡器上摇晃吸附12h，然后回收其中的交联木质素气凝胶，并测定溶液中罗丹明B或铜离子的浓度。
测试结果表明：实施例4制备的交联木质素气凝胶对罗丹明B的吸附能力可达157mg/g，对铜离子溶液的吸附能力可达290mg/g；实施例5制备的交联木质素气凝胶对罗丹明B溶液和铜离子溶液的吸附能力分别可达到47mg/g和340mg/g。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种利用木质素制备水处理材料的方法，其特征在于，将木质素配制成浓度为1~100mg/L的水溶液，经冷冻干燥后得到木质素气凝胶，将得到的木质素气凝胶置于管式炉中于氩气气氛中250~500℃进行热处理，冷却后即得到所述的水处理材料。
2.根据权利要求1所述的利用木质素制备水处理材料的方法，其特征在于，所述木质素水溶液浓度为1~10mg/L。
3.根据权利要求1所述的利用木质素制备水处理材料的方法，其特征在于，热处理时间为1~2h。
4.根据权利要求1所述的利用木质素制备水处理材料的方法，其特征在于，所述木质素为碱木质素。
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