摘要
近些年来，现代工业的迅速发展导致了大量含重金属离子和染料的污水产生，对生态环境和人类健康造成了严重的威胁。传统污水处理方法普遍存在去除效率低、产生二次污染、成本高昂等问题，寻找新型的吸附材料是当前研究热点。木材是一种易获取、便于改性的天然可再生材料，其多级分层的孔隙结构便于水分传输。本研究以质量轻且具有良好物理性能的巴沙木作为原材料，首先利用亚氯酸钠对其进行脱木素处理，再使用高碘酸钠选择性氧化将木材细胞壁上的微纤丝分散成微纤维网络结构，制备出具有高比表面积和丰富微/纳孔隙结构的木材气凝胶基材，接着通过席夫碱反应引入聚乙烯亚胺(PEI)，制备出氨基化的功能木材气凝胶，并用其吸附重金属离子和阴离子染料，具体的研究结果如下： (1)以天然巴沙木为原料，通过酸性NaClO2溶液处理除去木质素与部分半纤维素，通过NaIO4选择性氧化使得纤维素上C2、C3位的羟基氧化为醛基并打破C2-C3键，自上而下地制备了一种木材气凝胶(ANWA)。以NaIO4用量为变量，从微观结构、化学组成和物理性能等方面对所制备的木材气凝胶进行表征分析。研究结果显示：在NaIO4与纤维素质量比为3:1，氧化时间为4h以及氧化温度为60℃的条件下制备的木材气凝胶(ANWA-3)，拥有高达1.63mmol/g的活性醛基基团与丰富孔隙结构，且具有一定的压缩强度。ANWA-3细胞壁变薄且出现大量微纳孔隙，其比表面积达到了36.6m2/g，约为天然巴沙木材的9倍，平均孔径在6.1nm左右。红外光谱显示ANWA-3在1735cm-1处存在明显的醛基特征峰，而在3400cm-1处的羟基伸缩振动峰强度显著降低减小，表明纤维素分子链上的羟基被成功氧化成醛基。X射线光电子能谱显示其C3峰占比高达49%，证实气凝胶内部存在大量活性醛基基团。尽管ANWA-3的结晶度下降至48%，但氧化生成的醛基与羟基形成更稳定的半缩醛结构，压缩强度仍能达到7.6MPa。 (2)以上一章制备的ANWA-3为原料，通过醛基与氨基发生席夫碱反应将PEI接枝到纤维素上，制备了一种富氨基化木材气凝胶(PMWA)。研究不同分子量(MW.600与MW.1800)与不同浓度(1%、1.5%和2%)的PEI接枝对木材气凝胶的微观形貌、孔隙结构以及化学成分的影响。研究结果显示：PEI通过席夫碱反应与醛基纤维素交联，形成了具有纳米孔隙结构的聚合物层覆盖在木材气凝胶表面，其厚度与PEI浓度呈正比，在PMWA-1800-2中甚至出现整个细胞腔被填充的现象。相应地，PMWA-1800-2拥有最大密度0.094g/cm3与最低的孔隙率90.2%，而其比表面积达到了60.2m2/g，平均孔径在4.56nm左右。这归因于在气凝胶表面交联的PEI形成更为致密的三维的网络结构，改变了其原有的孔隙分布。FT-IR显示PMWA-1800-2在1740cm-1处醛基特征峰消失，而1630cm-1处出现了明显的C=N特征峰，1568cm-1处出现N-H键的弯曲振动峰，表示PEI经过席夫碱反应已被成功接枝在气凝胶上。PMWA-1800-2结晶度仅有34.9%，表明PEI改性会对纤维素造成一定破坏。XPS图谱显示，PMWA-1800-2的O1与O2峰面积比为0.44，且其O1峰占比仅有30.4%；而N2和N3峰面积占比达到了26%和40.4%，表明其具有大量的活性氨基基团。 (3)以上一章制备的氨基化木材气凝胶(PMWA-1800-2)为材料，测试其对重金属离子(Cu2+、Pb2+、Cr6+)和阴离子染料(甲基橙MO、刚果红CR)的静态吸附性能。通过拟合吸附动力学和吸附等温线模型来探究其吸附机理，研究不同温度与pH值对静态吸附性能的影响，并测试吸附剂的循环稳定性与多元混合体系下的选择吸附性。研究结果显示：PMWA-1800-2对重金属离子Cu2+、Pb2+和Cr6+与阴离子染料MO、CR的平衡吸附容量分别为131mg/g、143mg/g、151mg/g、154mg/g与139mg/g，远远大于天然巴沙木材与氧化木材气凝胶。对PMWA-1800-2的吸附动力学与吸附等温线研究指出，对于各污染物的吸附行为更符合拟二级吸附动力学模型与Langmuir模型，表明其为单分子层的化学吸附，而阴离子染料的吸附速率还受到颗粒内扩散的影响。PMWA-1800-2的主要吸附机理为氨基与各金属离子的螯合作用以及与阴离子染料的静电结合。在温度为30-35℃，pH值为3-5范围内，PMWA-1800-2对各污染物的吸附容量达到最大平衡状态。吸附剂在混合溶液体系下对单种污染离子的吸附容量稍有下降，对Cr6+、MO的选择性较强。经过5次循环吸附测试后，吸附剂对各种污染物的去处率均能维持在85%以上，说明材料拥有较为优异的循环使用稳定性。
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