木质素硅胶两亲聚合物的制备表征及应用研究

开题报告木质素/硅胶两亲聚合物的制备、表征及应用研究1.研究的背景及意义木质素是一类天然多羟基芳香族化合物，在植物体内作为纤维素和半纤维素的粘结物质，增强植物体机械强度。木质素在地球上的储量十分庞大，每年由全球植物生长总共产生的木质素可达15×1010吨[1]。它是一种可以再生的宝贵资源，在自然界中一直是与纤维素共同产生的，数量仅次于纤维素。纤维素的应用有数千年的历史，而在1930年以后木质素才被正式开发利用[2]，且至今尚未被大量、广泛的利用。因为缺乏有效的回收利用方法及应用途径，这一类巨大的可再生资源变成为了污染环境的废弃物。木质素的来源十分广泛，既可以直接从各种植物的芯材中分离提取，也可以从造纸制浆废液中回收利用。水葫芦泛滥成灾，会对生态和经济造成极大损失，故需要定期进行打捞。若能对水体中捞取的水葫芦加以利用，找到其资源化利用的最佳途径，则在解决其出路的同时获得一定的经济效益，则可减低水生生态系统维护费用，实现生态恢复的长效可持续发展。由于木质素大分子的惰性，以大分子形式利用木质素效率较低，目前对于木质素的开发和利用仍处于低附加值水平，水葫芦资源化利用[3]主要集中于燃料制造、肥料合成以及利用其高营养物质含量而作为饲料与食品的加工应用等方面。由于水葫芦木质素、纤维素含量高，含水率大，限制了部分资源化利用技术的推广。目前对水葫芦的利用多集中在纤维素与粗蛋白等方面，而含有丰富木质素的废渣多被遗弃，所以目前关于水葫芦中木质素利用方面的研究还未见报道。因此，分离水葫芦中的木质素，并对其进行化学改性，开发出更多种类且性能优良的木质素产品,实现木质素的高值化利用,将成为今后木质素研究的一个重要方向。半个多世纪以来,抗生素的广泛而大量应用及滥用所导致的细菌耐药性已成为威胁人类健康的焦点问题[4],而抗生素及其衍生物作为微量污染(microp-ollutants)对水所造成的污染(通常在μg/L到mg/L水平)及由此产生的环境效应在近年也开始被关注。木质素及其改性产物，不仅能够吸附高价金属离子，对含有芳香基团的化合物也具有一定的吸附能力。而许多抗生素中都含有芳香基团，如果能够研究出新型的抗生素吸附剂，并将其应用到污水处理行业中，不仅具有经济意义，更具有环保意义。色谱技术在半个多世纪的发展过程中，成为十分普及的分析方法，而进行色谱分析之前的样品前处理又是十分关键的步骤，目前在色谱分析样品前处理中固相萃取[5](SPE)成为极其重要的方法，它不仅适于萃取富集空气中痕量有机化合物，而且也广泛用于水样的预处理，而且适合于许多生物样品中被测定组分的富集。在固相萃取技术的研究中，固相萃取吸附剂是最为关键的组成部分，是实现对目标金属离子进行高效和高选择性萃取分离富集的核心技术所在，固萃剂的性能优良与否，对待测分析物的分离起着决定性的作用，是影响分析灵敏度和选择性的关键因素，所以对新型固萃剂的探索成为金属离子固相萃取领域中最为重要、最为活跃的研究部分。硅胶具有优越物理和化学性质，例如其化学性质稳定、吸附性能高、热稳定性好在机械力学，热学，电学，光学以及流变学[6-10]等方面具有显著的性能，故适于制备有机/无机复合材料。但其表层的亲水性与强极性会抑制疏水性聚合物与硅胶的相容性。目前最常用的方法之一是使用改性剂对硅胶表面进行修饰，添加改性剂可促使聚合物与二氧化硅颗粒方式更强的反应[11]。Wu等[12]人发现两亲性物质的吸附性可以显著提高二氧化硅颗粒表面的疏水性,提高二氧化硅和聚合物之间的相互作用。此外，还发现木质素可以实现疏水改性的二氧化硅。这表明木质素和二氧化硅制备复合材料的制备对木质素高值化利用的重要意义。通过将木质素与硅胶进行改性,制备木质素系高效吸附材料,不但能给木质素带来新颖而又广阔的应用前景,实现木质素的高值化利用，同时还为抗生素的分离检测开拓了一条新的道路。2.研究内容水葫芦作为一种生态入侵物种，生长速度快、产量大、价格便宜、产地集中，便于利用。水葫芦的资源化利用，既可减轻对环境的污染，又可提高其利用价值，具有明显的社会效益、经济效益及环境效益。本论文研究的主要内容是通过高沸醇法（HBS）水提取葫芦中的木质素，使得具有一定惰性的木质素大分子发生较大程度的化学改性，提取产物为HBS木质素，之后通过各种表征测定该类木质素的含量及分子结构，为下一步的实验操作提供数据支持。由于改性后的HBR木质素身结构的特殊性和分子内活性基团的多样性，对含有芳香基团的抗生素有较好的亲和作用，但是该类木质素对抗生素的吸附量并不是很大，因此根据HBR木质素官能团的特性，选取合适的改性剂对其进行改性。本文通过自制的3-氯-2-羟基丙磷酸钠、3-氯-2-羟基丙磺酸钠等表面活性剂作为改性剂，对HBR木质素进行改性，促进该类木质素与硅胶的相互作用，提高硅胶对HBR木质素的负载量。在合成SLP-SiO2复合材料的过程中，要设计多组平行实验，以考察pH和SLP/SiO2物料比对复合产物收率的影响，获得最佳的合成方案。最后将所得的复合材料作为固相萃取的吸附剂，以研究这种改性材料对芳香族抗生素的吸附效果。3.技术路线4．预期目标通过选取恰当的合成工艺实现硅胶与木质素的键合，最终合成一种新型的复合材料，并对该材料进行表征，以了解其分子结构；将该复合材料应用于固相萃取的吸附剂，对芳香族抗生素进行富集分离，以确定最佳优化方案。5.创新点、难点及存在问题5.1创新点通过高沸醇法提取的木质素进样官能团丰富、化学反应活性的特性，之后再利用表面改性剂对其与硅胶进行键合改性合成一种新的两亲复合材料，该复合材料的吸附性优于木质素大分子。5.2难点合成的表面活性剂3-氯-2-羟基丙磷酸钠的纯度较低，可能会促使木质素磷酸钠（SLP）发生凝聚；SLP-SiO2在合成时，除了发生氢键反应以外，木质素其它的化学反应活性强的官能团（如苯环、酚羟基等）也可能发生反应，影响改性的结果；6.工作的初步计划表6-1工作计划进度表起止时间计划安排2014年8—9月查阅文献资料，撰写实验计划,预实验2014年10-11月进行前期数据分析，撰写开题报告2014年12月-2015年2月按研究方案进行实验，合理分析数据2015年3-5月数据处理及分析，撰写小论文2015年6-8月确定论文内容框架，完善补充实验方案2015年9-12月撰写、修改、完善毕业论文，准备答辩参考文献：[1]戴财胜，朱睿杰.木质素改性及其作为水煤浆添加剂的性能研究[J].煤化工，2008，(5)：31-33.[2]中野准三.木质素的化学[M].北京：轻工业出版社，1988，2-10.[3]徐祖信,高月霞,王晟.水葫芦资源化处置与综合利用研究评述[J].长江流域资源与环境,2008,17(2):202-205.[4]RomanH,ThomasT,KlausH,etal.Occurrenceofantibioticsintheaquaticenvironment[J].SciTotalEnviron,1999,225:109-118.[5]傅若农.近年国内固相萃取-色谱分析的进展[J].分析试验室,2007,(2):100-122.[6]Kim,S.H.,Ahn,S.H.,Hirai,T.etal.Crystallizationkineticsandnucleationactivityofsilicananoparticle-filledpoly(ethylene2,6-naphthalate)[J].Polymer,2003,44,5625–5634.[7]Shang,X.,Zhu,Z.,Yin,J.,Ma,X.,etal.Compatibilityofsolublepolyimide/silicahybridsinducedbyacouplingagent[J].Chem.Mater.,2002,14,71–77.[8]Nguyen,T,etal.Controlofenergytransferinorientedconjugatedpolymer-mesoporoussilicacomposites[J].Science,2000,288,652–656.[9]Moon,S.,Lin,A.,Kim,B.H.,Watekar,P.R.,Han,W.,etal.Linearandnonlinearopticalpropertiesoftheopticalfiberdopedwithsiliconnano-particles[J].Non-Cryst.Solids2008,354,602–606.[10]Oberdisse,J.,etal.Structureandrheologicalpropertiesoflatex-silicananocompositefilms:stress-strainisotherms[J].Macromolecules,200235,9441–9450.[11]Zou,H.,Wu,S.,Shen,J.,etal.Polymer/silicananocomposites:preparationcharacterization,properties,andapplications[J].Chem.Rev,2002,108,3893–3957.[12]Wu,T.,Chu,M.,etal.Preparationandcharacterizationofthermoplasticvulcanizate/silicananocomposites[J].Appl.Polym.Sci.2002,98,2058–2063.