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超声波活化碱木质素及多效碱木质素水处理剂合成与应用研究

任世学

  本论文是国家自然科学基金资助项目“钯/炭-Pb/C催化碱木质素还原反应的研究”(课题编号:30471363)的部分内容。麦草碱木质素是我国造纸工业重要的剩余物,由于麦草碱木质素结构决定了其反应活性比较低,其应用受到较大的限制。本论文以提高麦草碱木质素的反应活性为目标,首次采用超声波法活化麦草碱木质素,研究了超声波处理时间、作用功率和作用液料比等因素对麦草碱木质素总羟基含量的影响,并采用官能团分析、凝胶色谱(GPC)、傅立叶红外光谱(FTIR)、核磁共振~1H-NMR等研究手段,探讨了超声波作用于麦草碱木质素的作用机制。根据麦草碱木质素具有多种官能团的结构特点,国内首次合成了麦草碱木质素季胺盐、磺化麦草碱木质素季胺盐、麦草碱木质素膦酸季胺盐和麦草碱木质素膦基盐等四种多效水处理剂,根据其所接官能团结构特点,分别检测其絮凝、分散、络合和阻垢等性能,并阐述了麦草碱木质素季胺盐的絮凝机理和麦草碱木质素膦酸季胺盐的阻垢机理。论文还将麦草碱木质素与超声波处理麦草碱木质素合成的多效水处理剂性能进行比较。结果表明:超声波可以显著提高碱木质素酚羟基和醇羟基含量。当作用时间为20min,作用功率为200W,液料比为100:1时,碱木质素的醇羟基含量从2.28mmol/g变为8.34mmol/g,酚羟基含量从1.80mmol/g变为2.02mmol/g。均匀设计法研究表明对碱木质素总羟基含量变化的影响因素依次为超声波处理时间,超声波功率,液料比,其中液料比对总羟基含量几乎没有影响。采用官能团分析、凝胶色谱(GPC)、傅立叶红外光谱(FTIR)、核磁共振~1H-NMR等研究手段结果表明,超声波加速了溶液分子与碱木质素分子之间的的摩擦,从而引起C-C键或C-O-C键的裂解,超声波的空化效应所产生的高温高压环境也会导致了苯环上侧链的断裂,这一作用会使碱木质素酚羟基和总羟基含量增加,增加部分的总羟基可能是由羧基部分还原得到,也可能是由甲氧基(-OCH_3)断键,或其它芳基烷基醚断键而产生的。另外,超声波处理麦草碱木质素后数均分子量(M_n)和重均分子量(M_w)分别从1179和10250变为5031和11605,重均分子量(M_w)与数均分子量(M_n)的比值(M_w/M_n)从8.69变为2.31,超声波作用下木质素的C-C键或C-O-O键的裂解和苯环上侧链的断裂有可能产生一定量的自由基,由于声空化效应产生的局部高温高压又会引发这些自由基发生聚合反应,使得碱木质素的分子量增加。超声波处理后麦草碱木质素酚羟基和醇羟基含量提高,反应活性得到提高,木质素发生聚合,分散性得到改善,这对麦草碱木质素的充分利用是有利的。根据麦草碱木质素具有多种官能团的结构特点,国内首次合成了麦草碱木质素季胺盐、磺化麦草碱木质素季胺盐、麦草碱木质素膦酸季胺盐和麦草碱木质素膦基盐等四种效水处理剂,分别检测其絮凝、分散、络合和阻垢等性能。对于麦草碱木质素季胺盐,实验表明:木质素季胺盐对酸性黑ATT染料溶液的絮凝效果较好。当处理后木质素季胺盐为1184.5mg/L时,酸性黑ATT染料溶液脱色率为78%。当投加量低于2500mg/L时,超声波处理后木质素季胺盐对酸性黑AFT染料的脱色效果要好于木质素季胺盐。木质素季胺盐中的季铵离子与酸性黑ATT染料中的磺酸……   
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