[发明专利]一种沙柳纤维素纳米纤维、气凝胶球及制备与应用

说明书

本发明提供了一种沙柳纤维素纳米纤维、气凝胶球及制备与应用，所述气凝胶球是由沙柳微晶纤维素和沙柳纤维素纳米纤维复合而成的多孔网状球体，且所述沙柳纤维素纳米纤维均匀分散在所述气凝胶球内部孔隙中；或者所述气凝胶球是由沙柳微晶纤维素形成的多孔网状球体。本发明所提供的沙柳微晶纤维素/沙柳纤维素纳米纤维气凝胶球作为一种低成本、生物相容性好、高效的新型重金属离子废水吸附剂，其具有制备方法简单，环境友好等多种优点，并且对废水中的重金属离子有显著的亲和力和吸附选择性。

技术领域

本发明涉及一种沙柳纤维素纳米纤维、气凝胶球及制备与应用，属于生物质纤维素到纳米纤维素的转化以及纳米纤维素的改性技术领域。

背景技术

内蒙古自治区是国家重要的冶金工业基地，其铁矿、有色金属和稀有金属矿产资源丰富，重化工产业相对发达。但全区每年产生大量含有重金属污染物的废水，对居民和水生生物的健康生存及当地工业经济的发展构成了严重威胁。因此，如何既能保证发挥我区作为广阔资源生产加工基地的优势，不断发展矿产资源的采选、冶炼和加工产业，又能防范控制重金属废水污染物的总量减排，是目前我区急需解决的重大环境问题之一，任务艰巨。

随着工业生产的快速发展，当今社会资源和环境问题日益突出，能源危机、资源枯竭、环境污染成为全球性问题。生物质是指通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质统称为生物质。生物质资源因为具有可再生和产量丰富的特点，对其合理地开发利用有望解决现有的资源短缺问题。生物质资源如植物秸秆、菌糠、豆粕和玉米皮等，虽然产量丰富，但利用率较低、处理麻烦且成本高，若处理不当，不但污染环境而且会造成资源的极大浪费。

纤维素是由n个D-吡喃式葡萄糖残基通过β-1,4-糖苷键连接而成的长链高分子化合物。天然纤维素都有很高的聚合度和重均分子量，纤维素分子上每个残基都有三个醇羟基，分别为C₂、C₃的仲醇羟基与C₆的伯醇羟基，它们对纤维素的性质起着关键的作用。纤维素上的羟基可以通过氧化，醚化后，形成具有特定功能的高分子化合物。纳米纤维素是通过水解或者机械处理纤维素后得到的直径在1-100nm的细小结构纤维素。常规制备纳米纤维素的方法分三种：第一种是通过纯化学预处理获得，即以硫酸、磷酸、盐酸等酸去除纤维素非结晶区而获得；另一种是通过机械对纤维素本身进行断裂，剥离所得，所用代表仪器有超声波破碎机、高压均质机、以及微射流纳米化均质机等；第三种是首先通过高碘酸钠、TEMPO、氧化氮、NHPI等氧化体系对纤维素进行预处理，使纤维素官能团发生改变，从而具体良好的理化性质，再通过机械处理，获得不同化学性质的纳米纤维素。作为可再生纳米材料，纳米纤维素在医药、食品、造纸、复合材料等领域广泛应用。目前，纳米纤维素掺杂的高性能复合材料的研究热度正在逐渐提高。

其中，TEMPO全称2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基，属于亚硝酰自由基类，是一种具有稳定氮氧自由基结构的环状化合物，具有氧化效率高，条件温和以及选择程度高的特点。TEMPO能选择性氧化纤维素、淀粉、甲壳素等多糖类长链高分子的C6号位置的伯羟基，使之变为羧基，因此TEMPO在氧化多糖类化合物改性领域颇为热门。

气凝胶是由高聚物分子或胶体粒子相互缠绕成纳米多孔网络结构，内部以空气为填充介质的一种多孔固态材料，具有高孔隙率、超低密度以及隔热的特点。不同于传统的二氧化硅气凝胶，纤维素气凝胶凭借其自身特点已跻身新型气凝胶材料之一。纤维素气凝胶制备工艺一般分三种：第一种是以高浓度纳米纤维素溶液为主体，掺杂二价铁、镁、铜等金属离子，经冷冻干燥、超临界二氧化碳干燥等方法获得低密度多孔气凝胶；第二种是纤维素溶液借助凝固浴成型，再借助低表面张力的叔丁醇等溶剂将水置换出来，冻干后成气凝胶；第三种是以纤维素水凝胶为主体，经冷冻干燥即可获得纤维素气凝胶。气凝胶球具有生物材料的轻质、可降解、生物相容性及可再生等优良特性，在高性能复合材料的应用中显示出巨大的发展空间，将其用作废水处理，可以实现“以废治废”，达到社会、经济、环境三效合一的效果，具有深远的意义。

因此，提供一种沙柳纤维素纳米纤维、气凝胶球及制备与应用已经成为本领域亟需解决的技术问题。