超声波辅助制备稻秆羧甲基纤维素及其吸附性能的研究

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本文以稻秆为原料,采用高温碱煮法提取稻秆纤维素,后以其为原料,超声辅助碱化反应溶媒法制备高取代度稻秆羧甲基纤维素(Carboxymethyl cellulose,简称CMC),对其水溶液的流变性质进行研究;对超声和非超声所得稻秆CMC的结构、理化性质和吸附性能进行对比研究;并与商用CMC进行简要的吸附性能对比。主要研究内容如下:首先,对稻秆的组分与结构进行了分析。结果表明,稻秆中的纤维含量为40.94%,可作为一种纤维素资源加以利用,但其结晶度为66.61%,高于麦秆的57.23%和玉米秆的51.61%,致使稻秆中可利用的羟基(-OH)被封闭,试剂可及度低,溶解困难,纤维素整体反应性能较差。其次,对高温碱煮法提取稻秆纤维素的工艺进行了研究并通过正交实验优化工艺条件。结果表明:在碱煮时间2 h,碱煮温度70oC,氢氧化钠质量分数8%,料液比1:20 g·mL-1的最优条件下,所得纤维含量为75.66%,提高了84.81%,木质素和半纤维素的去除率为77.70%和82.31%;红外图谱上1249 cm-1处愈创木基环加C=O伸缩振动特征峰与1738cm-1附近的乙酰基和羧基上的C=O伸缩振动吸收峰的减弱表明木质素与半纤维素的去除;X-射线衍射图以及结晶度从66.61%到54.14%的降低表明其结晶区遭到破坏。此外,对超声辅助碱化反应制备稻秆CMC的溶媒法工艺进行了研究并通过正交实验优化工艺条件,对其水溶液的流变性质进行了研究。结果表明:在超声功率175 W、两次加碱比3:1、M纤维素:MNaOH=1:0.8、M纤维素:MMCA=1:1.2、碱化时间30 min、醚化温度60oC、碱化温度35oC、醚化时间60 min、乙醇体积分数85%的最优条件下,稻秆CMC的取代度可达0.873;其水溶液粘度随浓度和取代度的增大而增大,随溶液温度的升高而降低,随溶液pH值的升高而先升后降,随氯化钠浓度的升高而先降后升。红外图谱上1603 cm-1和1417 cm-1处-COOH的羰基非对称和对称伸缩振动吸收峰的出现证实了稻秆CMC分子上已接入羧甲基(-CH2COOH);扫描电镜图上,稻秆CMC的表面具有分散疏松,质地较为脆硬的卷曲片状结构;X-衍射射线图上,15.0o处衍射峰的消失及22.2o处衍射峰向低角度方向的偏移证实了其I晶型结构已转变为II晶型结构,强度更弱。最后,对超声和非超声制备的具有近似取代度的稻秆CMC的结构、理化性质和吸附性能进行了对比。结果表明:前者在扫描电镜图上显现表面卷曲片状含量更大、结构更松散的特点;在X-射线衍射图上显现更弱的特征峰;其水溶液粘度、溶解度、保水性更高;对亚甲基蓝、Pb2+和Cu2+显现出更优良的吸附性能;且超声所得的稻秆CMC对亚甲基蓝、Pb2+和Cu2+的吸附性能和吸附速率均优于具有近似取代度的商用CMC。此次研究解决了稻秆制备纤维素过程中纤维含量低的问题,所得稻秆纤维素中的半纤维素与木质素得到较好的去除,纤维素含量大大提高;以此为原料制备所得的稻秆CMC产品满足其食品级要求,取代度、理化性质以及吸附性能均有一定的提升。
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