木质纤维吸油凝胶的制备及其吸油性能的评价开题报告

1. 研究目的与意义

随着经济与科技的进步，石油行业已经成为人类生产生活必不可少的行业。石油及其产品在开采、炼制、储运和使用过程中因各种原因进入江河湖泊海等水体环境，会造成水体的严重污染，对生态环境和人们的生活构成不容忽视的威胁。据统计，全世界每年因油轮事故溢入海洋的石油约为39万吨。这些溢油形成油膜覆盖在水面上，不仅浪费了珍贵的石油资源，还会阻隔水气交换的过程，并减少阳光进入水中的能量，影响到生物链循环，破坏水体的生态平衡。石油中含有烷烃、烯烃、芳香烃等有毒物质，其中芳香烃毒性最强，对水体中生物有一定的潜在威胁，如癌变、畸变和突变。若不及时处理，会对生态环境和人类健康带来重大的危害。目前目前处理溢油的方法主要是吸附法，不仅能清洁水体环境，还能回收溢油，但是此技术的关键是溢油吸附材料的制备。吸油材料可分为有天然无机材料、天然有机材料和化学合成有机材料三大类。吸油机理主要为包藏型、凝固型和自溶胀型。包藏型吸油材料吸油速度比较快，但是保油性差；凝固型吸油材料吸油时需要加热，冷却后形成胶体，吸油速度慢；而自溶胀型吸油材料吸油量高、保油性能好。但是这种吸油材料制备过程复杂、价格高，且合成材料不易生物降解，只能通过填埋或者焚烧来处理，成本较高，也会对环境造成二次污染。因此，必须开发出具有高的吸油倍率和吸油速率、高保有率、低吸水倍率以及可浮性、重复使用性能、生物可降解性、油回收性能好的吸油材料。

2. 国内外研究现状分析

天然植物纤维是地球上最丰富的可再生资源，以各种形式广泛存在于自然界中。国内外对天然有机材料的吸油性能进行了大量的研究，发现多种天然有机材料具有较好的吸油性能。Choi等研究表明，乳草类植物在室温下的吸油倍率达到40g/g。肖伟洪等实验显示，灯心草对水中悬浮柴油的饱和吸油倍率为27.04g/g，对水中悬浮机油的饱和吸油倍率为18.13g/g。天然植物纤维可通过酯化、醚化或者接枝共聚等化学反应将大量亲水性羟基置换为酯基、醚基或其他疏水性基团，从而提高木质纤维的热塑性及其表面亲油疏水性。同时，也可以通过对天然植物纤维热处理的方法，达到疏水改性的目的。Fanta等人指出农产品和农业废弃物如稻壳、玉米芯、蔗渣纤维、棉等均可以应用于吸油材料的制备。由于普通的稻麦草、玉米秸秆等来源广泛的天然植物纤维吸油性能差，国内外针对天然植物纤维吸油改性做出了相应的研究。其中有热改性、醚化改性、酯化改性和接枝改性等四种疏水亲油改性方式。江茂生以红麻杆为原料，经热解处理制备出选择性亲油和高吸油量的吸油材料。研究表明，随着热解温度升高，所得吸油材料的吸油量增大，450℃热处理物的吸汽油倍率最大；300℃热解处理试样的亲油选择性最佳，吸油速率最快。余英权等采用NaOH作预润胀剂和催化剂，通过氰乙基化反应对杉木进行化学改性使其转化成热塑性材料。研究了碱浓度、丙烯腈用量、反应温度和时间对氰乙基化反应的影响。结果表明，增重率在35％以上，含氮量在8.8％～9.7％的氰乙基化木可在160℃单独或与PS、PVC、ABS等合成高聚物共混热压成型为均匀半透明的薄片。天然植物纤维的分子结构上含有大量的羟基，通过酯化反应将亲水的-OH转化为疏水的-OOR，从而提高原料的亲油疏水性。目前多采用酸酐进行纤维素酯化的研究。Manikandan等以剑麻为原料进行乙酸酐酯化过程中，先用18%NaOH溶液处理剑麻纤维，除去纤维表面的一些杂质，再加入乙酸酐进行酯化反应。改性后的纤维表面变得粗糙，疏水性能增强。马希晨等实验表明，以甲苯为溶剂，对甲苯磺酸为催化剂，纤维素和癸二酸经过两步酯化反应合成吸油树脂，该树脂吸油后不易漏油，包藏性好。采用接枝聚合改性之后的材料显著改善了吸油性能，但是反应过程中，交联剂和引发剂用量较大，原料一般采用纯纤维素而不是麦草、秸秆等，成本相应的也会增加。将木质纤维原料改性时，需要在一定的溶剂体系内进行。目前，国内外对于木质纤维原料各组分的结构鉴定和改性利用做出了大量的研究，木质纤维全溶体系已经成为研究热点。该全溶体系可以破坏木质纤维原料中各组分的分子间及分子内的氢键，达到溶解全组分的目的。与传统分离分析方法相比，利用木质纤维全溶体系，各组分得率高、降解少、分析速度加快，信息更加全面可靠。按照溶剂性质，可分为有机溶剂全溶体系和离子液体全溶体系。有机溶剂体系有四丁基氟化铵/二甲基亚砜（TBAF/DMSO）、N-甲基咪唑/二甲基亚砜（NMI/DMSO）、氯化锂/二甲基乙酰胺（LiCl/DMAc）、氯化锂/二甲基亚砜（LiCl/DMSO）。离子液体（Ionicliquids，ILS）又称室温熔融盐，是指在室温或接近室温下完全由阴离子和阳离子组成的有机液体盐。离子液体以其低熔点、高稳定性、低蒸汽压、溶解性能可调节等优异的理化性能已被证实为纤维素的有效溶剂，被广泛用于纤维素的溶解、再生及应用研究。Kilpelainen等发现颗粒较小的木屑经过130℃处理8h后完全溶解于离子液体[Bmin]Cl和[Amin]Cl。溶解过程中木材化学结构保持不变，并且在加入水或乙醇等有机溶剂后可使溶解后的木质素以无定形结构再生。

3. 研究的基本内容与计划

实验内容：

（1）木质纤维licl/dmso全溶体系气凝胶的制备

（2）木质纤维licl/dmso全溶体系中纤维酯化工艺研究

4. 研究创新点

1、本课题以天然植物纤维原料麦草为研究对象，进行疏水亲油的改性。麦草来源广泛，价格低廉，是生物可降解材料。

2、麦草在木质纤维全溶体系中进行酯化改性或与亲油性单体自由基聚合交联反应复合，制备高比表面积高木质素含量的疏水亲油性木质纤维凝胶材料。