[发明专利]一种玉米秸秆改性纤维素凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用农业固体废弃物——玉米秸秆纤维素制备高吸附重金属离子的天然高分子凝胶的工艺技术，属于天然高分子改性材料技术领域。

背景技术

随着社会工业的发展，人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增加，产生的重金属在数量上和种类上都大大增加，导致重金属大量进入土壤、水体中，不仅引起严重的环境污染和资源浪费，而且对人类的健康生产了很大的威胁，因此，如何科学有效地解决重金属离子对水体的污染已经成为世界各国政府以及广大环保工作者研究的热点之一。目前重金属废水处理最常用的方法是化学沉淀法，活性炭吸附法，离子交换法，气浮法等，其中吸附是去除废水中重金属离子广泛采用的技术^[1]。价廉、高效，且具有生物可降解性的吸附剂一直是广大科研工作者的关注热点。在众多廉价的原材料中，由生物质提取得到的多糖类天然高分子，已呈现出具有较大开发潜力替代传统吸附材料的趋势^[2]。纤维素作为植物主要的高分子组分之一，因其资源存储量大，具有可再生性，现被广泛地开发和利用。根据国内外相关报道，再生纤维素凝胶存在大量微孔结构（孔径范围在50～100nm之内），且具有较大的比表面积（300～400m²/g），可作为优良的吸附材料^[3]；同时，具有大量羧基的改性纤维素产物---氧化纤维素对重金属离子具有强烈的吸附效应^[4]。但因天然纤维素的抑菌性和抗霉解性能较差，在实际工业化应用中受到了很大限制。为了克服此类缺点，制备纤维素凝胶通常需要交联反应，从而增加了产品成本和操作工艺的复杂性，另一方面现今用于纤维素交联的试剂^[5]基本来源于石油化工产品，对于凝胶产品的天然性和可降解性提出了质疑。壳聚糖作为另一种资源丰富的天然生物质材料，有优良的生物相容性，抗菌性能、生物活性。因其大分子链中有大量氨基（或酰氨基）和羟基的存在，能够与金属离子配位，从而吸附金属离子^[6]，同时，上述活性官能团还可以进行改性，使壳聚糖自身或与其他高分子化合物实现多种新型功能材料^[7]。然而，综合纤维素和壳聚糖两类天然高分子材料用于重金属离子废水的处理还未见报道。

在天然高分子改性研究的范畴中，纤维素主要来源于植物原料，自然界中植物的种类繁多，各种植物的资源量不尽相同，每类植物的价值也各不相同，不同植物原料中的纤维素微观构造和结构也相差较大，那么，在众多的植物种类中选择适用于吸附重金属离子凝胶的纤维素原料是本申请的一个基础问题。

玉米秸秆是我国三大秸秆资源之一，由于受到自身特点和转化技术的制约，还没有得到高效高附加值利用，现主要用作动物饲料和农村生活染料，少量用作工业原料^[8、9]。但不可否认的是，玉米秸秆中含有丰富的碳水化合物（纤维素和半纤维素含量分别为31.09％和31.22％）^[9]，从原料组分上证明玉米秸秆可作为纤维素功能材料的初始原料。另外，玉米秸秆主要由韧皮和髓芯两部分组成，其中韧皮基本是纤维细胞构成，髓芯则多由非纤维细胞（或称之为杂细胞）构成，两者细胞在构造和性状上均不相同。纤维细胞呈细纺锤状，主要起到植物的支持作用，单根纤维强度较大；杂细胞壁结构疏松，比表面积较纤维细胞大，导致了其纤维素可最大限度地暴露出游离的羟基，增大反应的可及度，增加衍生化反应的均匀性和重复性，提升纤维素改性的程度。因而，对于制备玉米秸秆纤维素凝胶而言，韧皮和髓芯两部分需要分开处理，发挥各自优势。

结合现代工业造成的水体重金属污染问题，本申请详述以玉米秸秆为原料制备高效吸附重金属离子改性纤维素凝胶的工艺流程。不仅为弥补薄壁细胞纤维素研究的空缺，而且提高玉米资源的综合利用效率，为玉米秸秆的高附加值利用起到积极的推动作用。

参考文献

[1] 林永波，邢佳，施云芬，等.高分子凝胶球去除废水中重金属离子的研究[J].环境保护科学，2008，34（2）：21-24.

[2] 林永波，邢佳，孙伟光，等.海藻酸钠－聚氧化乙烯凝胶球去除废水中重金属离子的研究［J］.环境污染与防治，2008，30（3）：50-53.