[发明专利]超疏水纤维素气凝胶的制备方法及其在油污处理中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料领域，也属于天然高分子领域，化学、环境工程领域。尤其涉及一种超疏水纤维素气凝胶的制备方法及其在油污处理中的应用。

背景技术

随着自然环境的日益恶化，已经严重威胁到的人们的日常生活，人们也逐渐认识到环境治理的重要性。特别是对于发展中国家来说，快速的经济增长是以消耗大量石油等能源为源动力，然而大部分能源在运输和使用过程中却是以牺牲环境为代价，给人类的可持续发展和整个生态系统的多样性带来严重挑战。如2008年墨西哥湾原油泄漏、青岛港石油泄漏等油污泄漏事故频发，给当地生态环境带来毁灭性灾难；然而此类事件并没有减少的趋势，事故处理工作也艰难低效。以我国为例，近些年来随着能源的短缺，开发海底石油已经上升为国家战略安全层次。海上石油钻井平台更是如雨后春笋般蓬勃发展，然而近观平台周围，泄漏的原油随着海浪洋流等移动飘往海洋各处，由于其难降解性很容易形成累积，直接隔断了海底生物的呼吸。同时也可能聚集在海岸线上，破坏当地生态环境。再者，随着人口的日益增长，生活污水总量更是呈指数型增长。这些废水不仅污染环境，其中有很大一部分亦可以回收再利用，如地沟油等，通过回收再借助现有技术已经可以裂解成燃烧值较高的航空燃油。

但目前解决这些问题面临着一个技术难题，那就是如何简便、有效、经济的回收这些泄漏的油污和生活废水中的有用成分，同时不给环境带来二次污染。当前主要处理方式是采用疏水亲油的吸附材料将这些有机污染物从水中分离并收集，再通过现有技术重复利用。然而当前此类吸附材料面临着低效、吸附倍率低、引发二次污染、不能重复使用等问题。如常见的商用吸油毡材料，其最大吸附倍率只有10g·g^-1左右，很难满足大面积的油污泄漏事故处理。且其本身材质为聚丙烯材料，是石油化工原料，在自然界中很难降解，会带来二次污染。故寻找一种绿色环保、清洁高效、经济成本低的油污吸附材料已经成为众多科研人员的研究热点。

作为油污吸附的吸附材料，其使用性能一般考察五个指标即吸附性能、重复使用性、疏水性能、经济成本以及环境成本。当前经研究报道比较环保的吸附材料包括，扭曲碳纤维、碳纳米管、纤维素纳米纤维、氧化石墨烯等气凝胶，其吸附倍率从几十至几百倍不等，但其中大部分都是碳质材料，如以碳纳米管、石墨烯等为原料制备的多孔气凝胶，其吸附倍率高、重复使用性好、具有超疏水、亲油性质，很容易实现油污分离和收集，但显而易见的是这些材料的成本过于昂贵，只能停留在实验室研究阶段，不能够大量生产，很难取得商业应用。除此类碳质气凝胶常被用来作为油污吸附材料外，废纸纤维及纤维素衍生物等也常被用来作为吸附材料，但此类材料面临着吸附倍率不高、重复使用率差以及需经过疏水亲油改性等缺陷，且目前关于此类材料的疏水亲油改性同样面临效果差、周期长等问题。

纤维素是自然界最为丰富的天然高分子，广泛应用于纺织、食品、建筑等领域。由于其具有绿色环保、可再生可降解等特性，使其逐渐成为材料研究中的重要原材料。但当前研究的纤维质吸附材料存在吸附倍率低、重复实用性差等缺陷。且由于天然多糖的易吸水性，制备的气凝胶材料并不能实现油水分离。而当前的疏水改性方法主要是以有机硅烷为改性剂的溶胶凝胶法、水解法及浸渍法等。这些方法一方面破坏改性基底的原有结构，同时还有改性效率低、周期长以及存在大量浪费改性剂等问题。

发明内容

本发明的目的是提供了经济环保同时又具备高吸附倍率、可重复使用以及超疏水亲油等特性的油污吸附材料，能够更加简便有效、经济环保的处理油污泄漏等问题的超疏水纤维素气凝胶。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种超疏水纤维素气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)纤维素溶剂配制：

以NaOH碱体系为纤维素溶剂体系，由7-14wt.％NaOH、81-92wt.％水溶液组成或者6-8wt.％NaOH、10-14wt.％脲、73wt.％-83wt.％水溶液组成；将配置的溶剂置于-10℃～-20℃预冷10～30min；

(2)纤维素溶液的制备

将1％-5wt.％纤维素添加到步骤(1)配制的纤维素溶剂中，机械搅拌获得均匀的纤维素溶液；

(3)纤维素水凝胶的制备

向步骤(2)的纤维素溶液中滴加沉淀剂，得到纤维素水凝胶；最后再用蒸馏水洗去残余溶剂，即可获得纯净的纤维素水凝胶；其中，沉淀剂包括3wt.％-25wt.％H₂SO₄溶液、无水乙醇、乙酸、甲醇、丙酮其中的一种；

(4)纤维素气凝胶的制备