生物质基阳离子吸附剂的制备及其对染料吸附的研究

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1、第一章绪论第一章绪论传统的化学工业给环境带来的污染已十分严重，目前全世界每年产生的有害废物达3亿吨"--4亿吨，给环境造成危害，并威胁着人类的生存。化学工业能否生产出对环境无害的化学品?甚至开发出不产生废物的工艺?有识之士提出了绿色化学的号召，并立即得到了全世界的积极响应。1．1绿色化学按照美国《绿色化学》(GreenChemistry)杂志的定义，绿色化学是指：在制造和应用化学产品时应有效利用(最好可再生)原料，消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。今天的绿色化学是在化学品的设计、制造、和使用过程中利用一系列的原则来减少、甚至消除

2、有毒有害物质的使用或在过程中的生成【lJ。绿色化学的核心内容之一是“原子经济性”，即充分利用反应物中的各个原子，因而既能充分利用资源，又能防止污染。绿色化学的核心内容之二，其内涵主要体现在五个“R”上：Reduction，Reuse，Recycling，Regeneration，Rejection。1998年，Anastas和Warner明确了绿色化学的十二条原则[’1，这些原则带动了化学各个层次的发展。它标志着绿色化学与技术研究已经成为国际化学研究的前沿和重要的发展方向。绿色化学给化学家提出了一项新的挑战，国际上对此很重视。1996年，

3、美国设立了“绿色化学挑战奖”，以表彰那些在绿色化学领域中做出杰出成就的企业和科学家。绿色化学将使化学工业改变面貌，为子孙后代造福。1．2生物质生物质是地球上最广泛存在的物质，它包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。我们知道绿色植物利用叶绿素通过光合作用把C02和H20转化为葡萄糖，并把光能储存在其中，然后进一步把葡萄糖聚合淀粉、纤维素、半纤维素木质素等构成植物本身的物质。所谓生物质可以理解为由光合作用产生的所有生物有机体的总称，包括植物、农作物、林产物、海产物(各种海草)和城市垃圾(纸张、天然纤维)等

4、。据估计，作为植物生物质的主第一章绪论要成份——木质素和纤维素每年以约1640亿吨的速度再生，如以能量换算相当于石油产量的15．20倍。如果这部份资源得到好的利用，人类相当于拥有一个取之不尽的资源宝库。而且，由生物质来源于空气中的C02，燃烧后再生成C02，所以不会增加空气中的C02的含量，因此生物质与矿物质能源相比更为清洁。目前，对于生物质资源的利用可以分为三类：生物基产品【3叫(Biobasedproducts)、生物燃料(Biofuels)矛II生物能源(Bioenergy)。1．3纤维素1．3．1纤维素的化学结构1838年，法国科

5、学家AnselmePayen首次用硝酸、氢氧化钠溶液交替处理木材后分离出一种均匀的化合物并命名纤维素[51，然而直到1932年才由Staudinger确定其化学结构【6’7]是由很多D．毗喃葡萄糖酐(1-5)彼此以∥(1-4)苷键连结而成的线性巨分子，其化学式为C6Hl005，化学结构的实验分子式为(C6H1005)n(n为聚合度)，由碳(44．44％)、氢(6．17％)、氧(49．39％)三种元素组成。纤维素的重复单元是纤维素二糖。HO图1．1纤维素的结构式H每个葡萄糖环形结构的三个游离羟基位于2、3、6三个碳原子上，具有典型的伯醇和仲

6、醇的反应性质，临近的仲羟基表现为典型的二醇结构。这三个羟基的酸性大小按C2、C3、C6位排列，反应能力也不同，C6位上羟基的酯化反应速度比其他两位羟基约快10倍，C2位上羟基的醚化反应速度比C3上的羟基快两倍左右。纤维素链末端的羟基表现出不同的行为，其中C1末端羟基具有还原性，C4末端羟基具有氧化性，它链接的氧和葡萄糖环上的氧主要形成分子内和分子间氢键，并参与降解反应。】，3．2纤维素的分离生物质纤维素的分离最主要的是脱木质素作用，这是破坏生物质坚固聚台第一章绪论体结构的关键步骤，同时也可以将绝大部分木质素、半纤维素从纤维素中分离出去[眄

7、]。其方法主要包括物理法、化学法、物理．化学法和生物法。其中化学法包括：酸处理、碱处理、亚硫酸处理等[10J4】，目的在于溶解脱除木质素并降低纤维素的结晶度。盐酸、磷酸、硫酸等酸类可以除去半纤维素，甲酸醋酸可除去木质素。碱处理可使木质素膨胀和破裂，从而增大表面积，使用S02也可以除去木质素，或用乙醇、丁醇、丙酮等溶剂在适当催化剂存在下可以除去木质素。化学处理虽然较物理处理有效，但所用化学试剂不易循环使用，且难处理。Pan等采用90％醋酸水溶液，在浓硫酸催化条件下对小麦秸秆中纤维素和木质素进行分离，分离出的木质素分子量低。所使用的醋酸溶液可

8、以通过减压蒸馏回收利用【141。1．3．3纤维素的活化采用预处理方法目的在于形成纤维素的多相反应体系，在工业实践中多相反应体系是一种应用更多的过程。1．3．3．1化学试剂处理体系化学试剂预处理