超聲波活化堿木質(zhì)素及多效堿木質(zhì)素水處理劑合成與應(yīng)用研究.pdf

1、麥草堿木質(zhì)素是我國(guó)造紙工業(yè)重要的剩余物，由于麥草堿木質(zhì)素結(jié)構(gòu)決定了其反應(yīng)活性比較低，其應(yīng)用受到較大的限制。本論文以提高麥草堿木質(zhì)素的反應(yīng)活性為目標(biāo)，首次采用超聲波法活化麥草堿木質(zhì)素，研究了超聲波處理時(shí)間、作用功率和作用液料比等因素對(duì)麥草堿木質(zhì)素總羥基含量的影響，并采用官能團(tuán)分析、凝膠色譜(GPC)、傅立葉紅外光譜(FTIR)、核磁共振1H-NMR等研究手段，探討了超聲波作用于麥草堿木質(zhì)素的作用機(jī)制。根據(jù)麥草堿木質(zhì)素具有多種官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)特

2、點(diǎn)，國(guó)內(nèi)首次合成了麥草堿木質(zhì)素季胺鹽、磺化麥草堿木質(zhì)素季胺鹽、麥草堿木質(zhì)素膦酸季胺鹽和麥草堿木質(zhì)素膦基鹽等四種多效水處理劑，根據(jù)其所接官能團(tuán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別檢測(cè)其絮凝、分散、絡(luò)合和阻垢等性能，并闡述了麥草堿木質(zhì)素季胺鹽的絮凝機(jī)理和麥草堿木質(zhì)素膦酸季胺鹽的阻垢機(jī)理。論文還將麥草堿木質(zhì)素與超聲波處理麥草堿木質(zhì)素合成的多效水處理劑性能進(jìn)行比較。結(jié)果表明： 超聲波可以顯著提高堿木質(zhì)素酚羥基和醇羥基含量。當(dāng)作用時(shí)間為20min，作用功率為2

3、00W，液料比為100：1時(shí)，堿木質(zhì)素的醇羥基含量從2.28mmol/g變?yōu)?.34mmol/g，酚羥基含量從1.80mmol/g變?yōu)?.02mmol/g。均勻設(shè)計(jì)法研究表明對(duì)堿木質(zhì)素總羥基含量變化的影響因素依次為超聲波處理時(shí)間，超聲波功率，液料比，其中液料比對(duì)總羥基含量幾乎沒有影響。 采用官能團(tuán)分析、凝膠色譜(GPC)、傅立葉紅外光譜(FTIR)、核磁共振1H-NMR等研究手段結(jié)果表明，超聲波加速了溶液分子與堿木質(zhì)素分子之間的

4、的摩擦，從而引起C-C鍵或C-O-C鍵的裂解，超聲波的空化效應(yīng)所產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境也會(huì)導(dǎo)致了苯環(huán)上側(cè)鏈的斷裂，這一作用會(huì)使堿木質(zhì)素酚羥基和總羥基含量增加，增加部分的總羥基可能是由羧基部分還原得到，也可能是由甲氧基(-OCH3)斷鍵，或其它芳基烷基醚斷鍵而產(chǎn)生的。另外，超聲波處理麥草堿木質(zhì)素后數(shù)均分子量(Mn)和重均分子量(Mw)分別從1179和10250變?yōu)?031和11605，重均分子量(Mw)與數(shù)均分子量(Mn)的比值(Mw/Mn)

5、從8.69變?yōu)?.31，超聲波作用下木質(zhì)素的C-C鍵或C-O-O鍵的裂解和苯環(huán)上側(cè)鏈的斷裂有可能產(chǎn)生一定量的自由基，由于聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的局部高溫高壓又會(huì)引發(fā)這些自由基發(fā)生聚合反應(yīng)，使得堿木質(zhì)素的分子量增加。超聲波處理后麥草堿木質(zhì)素酚羥基和醇羥基含量提高，反應(yīng)活性得到提高，木質(zhì)素發(fā)生聚合，分散性得到改善，這對(duì)麥草堿木質(zhì)素的充分利用是有利的。 根據(jù)麥草堿木質(zhì)素具有多種官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)首次合成了麥草堿木質(zhì)素季胺鹽、磺化麥草堿木質(zhì)

6、素季胺鹽、麥草堿木質(zhì)素膦酸季胺鹽和麥草堿木質(zhì)素膦基鹽等四種效水處理劑，分別檢測(cè)其絮凝、分散、絡(luò)合和阻垢等性能。 對(duì)于麥草堿木質(zhì)素季胺鹽，實(shí)驗(yàn)表明：木質(zhì)素季胺鹽對(duì)酸性黑ATT染料溶液的絮凝效果較好。當(dāng)處理后木質(zhì)素季胺鹽為1184.5mg/L時(shí)，酸性黑ATT染料溶液脫色率為78％。當(dāng)投加量低于2500mg/L時(shí)，超聲波處理后木質(zhì)素季胺鹽對(duì)酸性黑ATT染料的脫色效果要好于木質(zhì)素季胺鹽。木質(zhì)素季胺鹽中的季銨離子與酸性黑ATT染料中的磺酸

7、基團(tuán)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了不溶于水的物質(zhì)，從而達(dá)到脫色的目的。對(duì)于酸性紅橙和酸性紅染料，脫色率隨絮凝劑的投加量的增加而增大，較低的pH值對(duì)酸性紅橙和酸性紅染料絮凝是比較有利。這是由于pH較低時(shí)，木質(zhì)素分子上的-COOH未離解，而酸性紅染料懸浮顆粒把H+濃集于周圍，表面酸度相當(dāng)高，此時(shí)與進(jìn)染料懸浮粒子表面范圍的高分子進(jìn)行氫鍵吸附更容易，-COOH成為質(zhì)子給予體。同時(shí)絮凝劑中的季銨離子也不斷被吸附到懸浮粒子表面，中和其表面電荷，粒子間彼此碰

8、撞，進(jìn)行吸附架橋，因而對(duì)于酸性紅橙和酸性紅具有較好的絮凝效果。對(duì)含負(fù)電性膠體顆粒如高嶺土溶液也有較好的絮凝作用，并且較低的pH值對(duì)高嶺土溶液的絮凝效果較好。另外，木質(zhì)素季胺鹽也有一定的表面活性，對(duì)碳酸鈣顆粒也有一定的分散作用，對(duì)有Ca2+和Mg2+的絡(luò)合能力較弱。 磺化麥草堿木質(zhì)素季胺鹽對(duì)酸性黑ATT、酸性紅橙、酸性紅等染料廢水均具有較好的絮凝效果。磺化麥草堿木質(zhì)素季胺鹽的陰離子基團(tuán)磺酸基可與染料分子的氨基結(jié)合，其陽離子基團(tuán)可與

9、染料分子的磺酸基團(tuán)結(jié)合，從而有效降低了染料中親水性基團(tuán)如磺酸基、氨基和羥基的數(shù)目，進(jìn)而提高了染料的疏水性?；腔湶輭A木質(zhì)素季胺鹽基還可在染料分子之間起到架橋連接作用，使染料分子形成大的聚集體而沉淀除去。另外，由于染料本身的分子結(jié)構(gòu)的不同，也會(huì)對(duì)要染料脫色效果產(chǎn)生較大的影響。在磺化麥草堿木質(zhì)素季胺鹽中加入濃度為500mg/L的聚合氯化鋁后，對(duì)酸性染料廢水的絮凝性能會(huì)有較好的協(xié)同效果。對(duì)于味精水溶液，隨著藥劑濃度的增加，味精水溶液COD去除

10、率也增加。另外，磺化麥草堿木質(zhì)素季胺鹽也有一定的表面活性，對(duì)碳酸鈣顆粒和高嶺土也有一定的分散作用，對(duì)有Ca2+和Mg2+的絡(luò)合能力較弱。雖然利用麥草堿木質(zhì)素制備磺化麥草堿木質(zhì)素季胺鹽的合成和應(yīng)用研究至今尚未見有報(bào)道，但其良好的絮凝性能在水處理行業(yè)，尤其是在酸性染料廢水的應(yīng)用方面，具有重要意義。 堿木質(zhì)素膦酸季胺鹽是一種多效水處理劑，對(duì)碳酸鈣和硫酸鈣垢均有較好的阻垢效果，同時(shí)對(duì)酸性染料有一定的絮凝性能，對(duì)鈣離子和鎂離子具有一定的絡(luò)

11、合能力。對(duì)碳酸鈣垢來說，用量為12mg/L時(shí)，阻垢率已達(dá)78.8％。堿木質(zhì)素膦酸季胺鹽不適用于高硬度水中，而在中、低硬度水中阻垢效果較好。另外，隨著溶液pH值的升高，阻垢率下降，尤其是當(dāng)pH＞9.0后，阻垢率下降較明顯。這是因?yàn)殡S著溶液pH值的增加，溶液中CO32-濃度增大，使得CaCO3生成速度提高，阻垢率明顯下降。堿木質(zhì)素膦酸季胺鹽對(duì)碳酸鈣晶核具有很好的分散作用，通過吸附在碳酸鈣顆粒表面，增加了顆粒間的靜電斥力和空間位阻，使晶核高度