一种高效吸附亚甲基蓝的纤维素凝胶的制备方法及应用

技术领域

本发明属于纤维素凝胶材料及应用领域，具体涉及一种高效吸附亚甲基蓝的纤维素凝胶的制备方法及应用。

背景技术

纺织产业排放的染料废水对水生生物和人体健康造成了严重的危害。由于染料结构的复杂性和稳定性，难以被生物降解，导致长期积累的染料废水的对整体的环境生态产生了不可逆转的破坏。特别是阳离子染料，它们很容易与带负电荷的细胞膜表面发生相互作用，然后进入细胞并集中在细胞质中，从而导致健康问题。此外，染料具有强毒性和致癌性以及诱变性，因此，对染料废水的处理十分必要。当前，染料废水的处理技术有吸附，混凝-絮凝，催化降解，化学氧化和电化学处理等。在这些处理方法中，吸附被证实是比其他技术有效的对于难生物降解的染料的去除方式，吸附技术的操作简单，成本低，容易在实际生产中被应用。

对于吸附材料的选择有许多，比如活性炭，生物炭和水凝胶等。水凝胶材料因为其独特的化学分子结构成为了废水处理常用的材料之一。应用较多的水凝胶材料有聚丙烯酰胺水凝胶，但是诸如这类基础型的凝胶材料对染料废水的去除能力有限。为了提高它们的吸附性，一些纳米复合材料和高分子聚合物基复合水凝胶被开发出来，这些复合凝胶材料的制备通常要经过热交联处理。通过复合方式制备出的凝胶材料具有更好的机械性和热性能。近年来，纤维素复合凝胶材料被广泛研究，纤维素具有高表面化学活性、网络结构、优异的力学强度和高比表面积等优点，其复合凝胶材料在吸附领域应用较多，并且表现出良好的吸附性能。纤维素凝胶材料通常由采用商业化的纤维素通过热交联反应制得，虽然该材料的吸附性能较好，但是商业化的纤维素增加了材料的制备成本。为了降低成本，学者们从废弃生物质中提取纤维素后再进行交联获得了其复合凝胶材料，这一方法降低了纤维素的购买成本，但是复杂的纤维素提取过程，例如：强酸水解、漂白、反复超声、高压均质等仍然会增加能耗成本，加之后续的热交联反应，化学能耗进一步增加。因此，为了降低废水处理的成本和能耗，寻找更加简单的纤维素凝胶材料的制备方法对环境领域起到了关键的作用。

发明内容

本发明的目的是为了解决用于制备纤维素凝胶的纤维素原料提取过程复杂、能耗高、成本高，以及制备凝胶过程繁琐的技术问题，而提供一种高效吸附亚甲基蓝的纤维素凝胶的制备方法及应用。

本发明的一种高效吸附亚甲基蓝的纤维素凝胶的制备方法按以下步骤进行：

步骤1：将玉米芯加入到氢氧化钠溶液中，油浴加热处理，然后干燥，得到碱处理玉米芯；

步骤2：向碱处理玉米芯中加入次氯酸钠溶液，油浴加热处理，干燥后置于水中超声处理，将得到的糊状的纤维素进行干燥，得到纤维素凝胶。

进一步限定，步骤1中所述玉米芯与氢氧化钠溶液的质量比为(4～6)：100。

进一步限定，步骤1中所述氢氧化钠溶液的质量浓度为1％～3％。

进一步限定，步骤1中所述油浴加热处理的温度为70～80℃，时间为1.5h～2.5h。

进一步限定，步骤2中所述碱处理玉米芯的质量与次氯酸钠溶液中次氯酸钠的体积的比为1g：(8～12)mL。

进一步限定，步骤2中所述次氯酸钠溶液的体积浓度为14％～20％。

进一步限定，步骤2中所述油浴加热处理的温度为75～85℃，时间为0.5h～1.5h。

进一步限定，步骤2中所述超声处理的料液比为1g:(25～35)mL。

进一步限定，步骤2中所述超声处理的功率为250W～300W，时间为1min～2min。

进一步限定，步骤2中所述干燥的温度为55～65℃。

本发明的一种高效吸附亚甲基蓝的纤维素凝胶用于吸附含亚甲基蓝的废水。

进一步限定，所述含亚甲基蓝的废水的浓度为30mg/L～50mg/L。

进一步限定，所述吸附的温度为298K。

本发明与现有技术相比具有的显著效果：

1)本发明的纤维素凝胶的原材料来源于废弃生物质，成本低廉，提取过程简便，凝胶制备过程无需交联，超声干燥即可成为凝胶材料，步骤简练，所得纤维素凝胶对亚甲基蓝具有高效的吸附去除作用，便于回收。

2)本发明通过调控氢氧化钠溶液和次氯酸钠溶液的浓度，并将二者联用，以达到既使玉米芯中的木质素组分去除的最好，又可以保留最多的纤维素的目的。

3)次氯酸钠联合碱处理，一方面去除木质素更完全，另一方面，有利于超声破碎时与水的结合。此外，次氯酸钠的使用对纤维素的保留至关重要。次氯酸钠与碱处理联合对去除生物质中残余无定形的木质素和半纤维素具有良好的协同作用，由此可以提高纤维素的结晶度，对保证超声后所得纤维素凝胶材料具有良好的机械强度起到了关键作用。

4)碱浓度的控制既保证木质素的良好去除，又使纤维素不受过多的破坏，次氯酸钠的浓度既保证了原有纤维素的结晶结构不受破坏，又提高了碱处理后剩余无定形的木质素和分离半纤维素的去除率，实现半纤维素和纤维素的分离，获取纯度更高的结晶纤维素。

附图说明

图1为实施例2的纤维素凝胶的照片；

图2为实施例2的纤维素凝胶的扫描电镜图；其中图b为图a的区域放大图；

图3为不同处理后样品的XRD图；

图4为实施例4中不同浓度碱处理得到的纤维素凝胶对亚甲基蓝的吸附效果图；

图5为实施例4中实施例2的纤维素凝胶吸附亚甲基蓝的照片。

具体实施方式

实施例1：本实施例的一种高效吸附亚甲基蓝的纤维素凝胶的制备方法按以下步骤进行：

步骤1：将5g粉碎后的玉米芯加入到100mL质量浓度为1％的氢氧化钠溶液中，75℃下油浴加热处理2h，然后60℃下干燥24h，得到碱处理玉米芯；

步骤2：向1g碱处理玉米芯中加入50mL体积浓度为20％的次氯酸钠溶液，80℃油浴加热处理1h，60℃下干燥24h后置于水中270W下超声处理1min，所述超声处理过程中的料液比为1g:30mL，将得到的糊状的纤维素平铺后于60℃下进行干燥24h，得到纤维素凝胶。

实施例2：本实施例与实施例1不同的是：氢氧化钠溶液的质量浓度为2％。其他步骤及参数与实施例1相同，所得纤维素凝胶照片如图1所示，颜色为白色，质地较薄。

图2为实施例2的纤维素凝胶的扫描电镜图片，结果显示该材料是由纤维丝组成，纤维丝的放大图说明该凝胶材料中含有的纤维素主要以结晶纤维素的形式存在，晶体纤维素结构的存在使得凝胶材料具备较强的机械强度特性，使其吸附废水后的形态不被破坏，便于回收。

图3为实施例2各步处理后样品的XRD图，其中曲线1为实施例2得到的纤维素凝胶的XRD曲线，曲线2为实施例2步骤2用次氯酸钠油浴加热处理后样品的XRD曲线，曲线3为实施例2步骤1碱处理后样品的XRD曲线，从图中可以看出，通过这两步处理的生物质样品均保持了天然纤维素I型的晶型结构(主峰位置在～22°和～16°)，随着处理步骤的增加，纤维素结构并未受到影响，但是结晶度有所提高，碱处理样品中纤维素的结晶度为49.7％，次氯酸钠处理样品中纤维素的结晶度为62.03％，而本发明实施例2的样品中纤维素的结晶度为66.95％，本发明的处理方法赋予了凝胶材料良好的机械特性和稳定的力学性能。

实施例3：本实施例与实施例1不同的是：氢氧化钠溶液的质量浓度为3％。其他步骤及参数与实施例1相同。

实施例4：用实施例1-3得到的纤维素凝胶吸附含亚甲基蓝的废水的过程如下：

分别称取1g实施例1-3得到的纤维素凝胶，然后分别将其加入到50mL浓度为40mg/L的亚甲基蓝的水溶液中，298K下静置吸附24h，完成吸附处理。

取吸附处理后样品测试吸光度，计算其浓度变化，经过三种不同浓度碱处理的玉米芯提取的纤维素制备的纤维素凝胶材料对亚甲基蓝的吸附效果如图4所示，可以看出，本发明的纤维素凝胶对于亚甲基蓝具有良好的吸附性能，吸附效果高达97％，本发明通过调控氢氧化钠溶液和次氯酸钠溶液的浓度，并将二者联用，以达到既使玉米芯中的木质素组分去除的最好，又保留了纤维素的目的。其中实施例2的纤维素凝胶材料对亚甲基蓝吸附的直观效果如图5所示，从图中可以看出凝胶材料在水中仍然保持原本的形状，只是表面由于吸附了亚甲基蓝呈现蓝色，说明该材料具有良好的柔韧性和力学性能，便于回收。