疏水木質纖維氣凝膠制備及吸油機理解析

深海采油、原油海運及內河運輸經常造成漏油事件，造成大面積、大流域水體污染，嚴重 威脅脆弱的海洋和內陸水系生態(tài)環(huán)境。目前處理溢油的方法主要為材料吸附，傳統(tǒng)吸油材料吸油保油效率低且后續(xù)回油性差，大面積應用受到限制。鑒于木質纖維氣凝膠巨大的比表面積和極高的孔隙率，本研究采用LiCl/DMSO溶液溶解含疏水性內源或外源木質素的木質纖維原料，再經溶劑置換凝膠化、硬脂酰氯酯化改性或添加油性單體甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸丁酯（BA）和交聯(lián)劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）進行半互穿聚合交聯(lián)等處理過程，獲得一系列具有疏水親油性的木質纖維物理氣凝膠、木質纖維素酯氣凝膠和半互穿網(wǎng)絡氣凝膠，并利用FT-IR、TG、SEM、BET、光學接觸角、流變儀等檢測手段表征氣凝膠的化學結構、熱穩(wěn)定性、微觀構造、多孔性、力學強度及疏水吸油性等相關性能，探討木質纖維氣凝膠對油品的吸油歷程及吸附動力學行為規(guī)律，解析木質纖維氣凝膠的吸油機理。結果表明，疏水性內源木質素的存在可提高木質纖維物理氣凝膠的熱穩(wěn)定性，但會限制纖維素和半纖維素的解離，導致氣凝膠孔隙結構不均勻；而外源木質素可提高氣凝膠力學強度、比表面積和親油疏水性能。對木質纖維素酯氣凝膠而言，木質纖維先經硬脂酰氯酯化改性后凝膠化過程中，隨著酯化試劑用量的提高，氣凝膠疏水吸油性能得以改善，但其力學強度降低，凝膠網(wǎng)絡結構疏松，比表面積下降；若先凝膠化后酯化改性，則對氣凝膠三維網(wǎng)絡結構的影響較小。對木質纖維半互穿網(wǎng)絡氣凝膠而言，單體MMA和BA與交聯(lián)劑MBA所形成的聚合交聯(lián)網(wǎng)絡與木質纖維網(wǎng)絡以半互穿方式共存，引入單體聚合交聯(lián)網(wǎng)絡有助于提高氣凝膠的力學強度和疏水吸油性能。此外，對木質纖維素酯氣凝膠和半互穿網(wǎng)絡氣凝膠吸附煤油的過程進行吸附動力學模型和粒內擴散模型模擬發(fā)現(xiàn)，兩種氣凝膠的吸油過程更符合準二級吸附動力學模型，即吸附速率受化學吸附機理控制，且吸附過程包括表面吸附、孔內緩慢擴散以及吸附脫附動態(tài)平衡。

深海采油、原油海運及內河運輸經常造成漏油事件，造成大面積、大流域水體污染，嚴重威脅脆弱的海洋和內陸水系生態(tài)環(huán)境。目前處理溢油的方法主要為材料吸附，傳統(tǒng)吸油材料吸油保油效率低且后續(xù)回油性差，大面積應用受到限制。鑒于木質纖維氣凝膠巨大的比表面積和極高的孔隙率，項目擬通過LiCl/DMSO對木質纖維進行溶解處理、酯化疏水改性，并在此體系下將油性單體MMA/BA進行自由基聚合及MBA交聯(lián)，制備出具有高比表面積、高吸油性能的木質纖維網(wǎng)絡與親油高分子網(wǎng)絡半互穿結構的氣凝膠試樣。研究木質纖維在全溶體系下進行酯化改性和親油高分子網(wǎng)絡構建工藝技術、木質纖維氣凝膠的吸附動力學、吸油與保油性能，掌握全溶體系下木質纖維氣凝膠網(wǎng)絡構建及性能調控方法，揭示木質纖維氣凝膠吸油歷程及規(guī)律，闡明木質纖維氣凝膠的吸油與保油機理，為開發(fā)環(huán)境友好型高性能吸油材料提供理論依據(jù)。

氣凝膠最初是由S.Kistler命名，由于他采用超臨界干燥方法成功制備了二氧化硅氣凝膠，故將氣凝膠定義為：濕凝膠經超臨界干燥所得到的材料，稱之為氣凝膠。在90年代中后期，隨著常壓干燥技術的出現(xiàn)和發(fā)展，90年代中后期普遍接受的氣凝膠的定義是：不論采用何種干燥方法，只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代，同時凝膠的網(wǎng)絡結構基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結構特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡結構，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率，其體密度在0.003-0.500 g/cm-3范圍內可調。（空氣的密度為0.00129 g/cm-3）。

氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應條件，在溶體內形成不同結構的納米團簇，團簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態(tài)骨架周圍則充滿化學反應后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內的表面張力導致材料結構的破壞，采用超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體，氣液界面消失，表面張力不復存在，此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無序、具有納米量級連續(xù)網(wǎng)絡結構的低密度氣凝膠材料。

能源、資源缺乏和環(huán)境污染已成為社會經濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。利用吸附過濾特性使空氣得到凈化的新型吸附材料就成為當今急需研究開發(fā)的一種技術途徑。疏水SiO2氣凝膠材料是一種耐濕、高強度的新型吸附材料。本項目以E-40硅源作為原材料，無紡布，高硅氧纖維等結構材料為骨架支撐材料，采用表面修飾和纖維增強方式來增強氣凝膠的特異吸附性能和納米網(wǎng)絡結構，避免毛細管張力收縮而造成干燥時氣凝膠結構坍塌，在常壓下制備出吸附效率高，納米多孔結構人為可控的疏水型纖維增強SiO2氣凝膠復合材料。通過進行各種有毒害氣體的吸附測試，建立合適的理論吸附模型，確定其吸附機理，為高吸附性能SiO2氣凝膠及纖維復合材料的結構設計、研究開發(fā)提供理論和實驗基礎。