[发明专利]一种两性纤维素材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种两性纤维素材料及其应用，具体涉及两性的季铵-磺酸化纤维素及其应用，属于功能材料领域。

背景技术

纤维素是一种纤维状多毛细管的立体规整性天然高分子，具有多孔和大比表面积的特性，且分子内含众多亲水性羟基，对有机小分子及重金属离子具有一定的吸附能力，这为其通过改性制备性能良好的吸附材料提供了有利前提。但天然纤维素直接用作吸附剂时，其吸附容量有限且选择性低，这是因为其结构上存在大量的羟基，致使其分子链内、分子链间形成氢键，这种氢键广泛覆盖的结构减少了其活性位点、进而影响反应活性。为了提高纤维素的吸附性能，对其改性成为必然。作为一种天然高分子化合物，纤维素分子式为(C₆H₁₀O₅)n，是由D-葡萄糖以β-1, 4糖苷键组成的多糖大分子，分子中每一个葡萄糖单元都有三个活泼羟基：C2、C3上的仲醇羟基和C6位的伯醇羟基，因此，纤维素可以进行一系列涉及羟基的反应，包括氧化、酯化、醚化、交联和接枝共聚等反应，从而形成各种纤维素衍生物。 

两性纤维素即通过氧化、酯化、醚化、交联和接枝共聚中的一种或多种反应对纤维素进行改性，而得到的同时具备阳离子基团和阴离子基团的改性纤维素。两性纤维素作为吸附材料使用时有其独特优势，因为各类污水成分往往都极其复杂，通常会含有不同电性的污染物，当吸附剂中同时含有阳离子基团和阴离子基团时，可同时实现对污水中带负电荷和带正电荷污染物的有效吸附，其应用范围大大拓展。这是其它单一电性的离子型吸附剂远不能及的效果。崔志敏等以甘蔗渣为原料，与甲基丙烯酸和3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵反应，制得了同时含有羧基和季铵基的两性纤维素，改性后的吸附剂对阳离子翠兰染料和酸性黄染料的吸附能力比活性炭提高了19.7%和33.2%，对Pb²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Cr₂O₇^2-的交换吸附附能力平均比活性炭提高了7.4倍。

两性纤维素吸附剂中的阳离子基团通常包括氨基、季铵基或吡啶基等，可以吸附带负电荷的阴离子或化合物；而常被引入的阴离子基团则通常为羧基、磺酸基、磷酸基中的一种，可以吸附带正电荷的阳离子或化合物。因为改性相对容易的原因，其中较多见的阳离子、阴离子基团分别为氨基和羧基，事实上其吸附能力均不及相应的季铵基和磺酸基。CAT (3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵) 是一种液体活性阳离子醚化剂，广泛应用于造纸工业、日用化学工业、石油工业和水处理工业等领域。AMPS (2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)是极具发展潜力的阴离子有机中间体，具有多种优异性能，广泛用于纺织、水处理、石油开采、塑料、造纸和涂料等领域。目前全球约1/3的AMPS单体用于水处理工业，AMPS的均聚物或与丙烯酰胺、丙烯酸等单体的共聚物，可用于污水处理、空气净化等领域。国外大量使用表明，以AMPS作为污水处理剂，其用量少且效果明显优于现有聚丙烯酰胺类水处理剂。目前国内一些大中城市污水处理已经开始使用AMPS，且消耗量呈逐年增长趋势。3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸在污水处理方面都有各自优势，若能有一种载体可将二者结合起来，开发一种两性材料，将其用于吸附或功能性载体，前景广阔。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，开发一种两性纤维素，同时含有阳离子型季铵盐基团和阴离子型磺酸基团，宏观结构蓬松，微观结构多孔，分别对带负电荷的阴离子、阴离子化合物和带正电荷的阳离子、阳离子化合物具有良好的吸附能力，能够应用于重金属离子废水、有机物废水处理或作为其它材料的功能性载体使用。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种两性纤维素材料，通过对纤维素进行碱预处理得到碱性纤维素，实现羟基活化，然后以3-氯-2羟丙基三甲基氯化铵作醚化剂对碱性纤维素进行季铵化改性得到季铵化纤维素，再用硝酸铈铵作引发剂，采用单体2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸对季铵化纤维素进行磺酸化处理，得到两性的季铵－磺酸化纤维素。

前述的一种两性纤维素材料，其结构式为                                                  

其中：Ｒ＝CONHC(CH₃)₂CH₂SO₃H

      　1和2均表示纤维素分子链