一种木棉纳米纤维素气凝胶及其制备方法和应用

1.本发明涉及一种木棉纳米纤维素气凝胶及其制备方法和应用，属于气凝胶材料技术领域。


背景技术：

2.近年来，石油污染物已成为水中的主要污染物之一，对海洋、江河等水域及周边生态环境造成非常严重的破坏。吸附法已经成为处理油液污染问题的主要方法，但目前常用的吸附材料仍存在成本高，吸附量小，不可循环使用，难以生物降解，易造成二次污染等问题。因此开发价格低廉，制备工艺简单，吸附能力高且可多次循环使用的吸附材料逐渐成为研究的热点。
3.木棉纤维作为天然吸附材料，具有独特的大中空结构和优异的吸附性能，并且来源广泛、价格廉价、使用后易收集和降解处理，己被广泛应用于油液吸附领域，但其吸附能力较低(约为20
‑
40g/g)，仍有待提升。
4.纤维素气凝胶具有高孔隙率、低密度、吸附性能好等优势，且具有良好的生物相容性、可降解性等特质，是一种新型绿色吸附材料。但纤维素的提取方法复杂，原料价格仍相对较高，易对环境造成污染且纤维素气凝胶的重复使用性能较差，油液回收步骤复杂，极易在吸附后造成二次污染。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：如何获取一种成本低廉，且具有良好的吸附性能、高疏水性并可循环利用的绿色吸附材料。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种木棉纳米纤维素气凝胶，将木棉纤维进行打浆处理和均质化处理提取出木棉纳米纤维素，所述木棉纳米纤维素再经过疏水改性后而制成气凝胶；所述气凝胶的密度为2.0～11.0mg/cm3，吸油倍率为160～350g/g，接触角为150～160
°
。
7.本发明还提供了上述的木棉纳米纤维素气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1：使用naoh溶液对机械粉碎后的木棉纤维进行表面处理，脱去木棉纤维表面的蜡质和其他杂质，然后用去离子水清洗至中性后放到打浆机中进行打浆处理，得到木棉浆；最后将木棉浆放入高压均质机中进行高压均质化处理，制备得到木棉纳米纤维素溶液；
9.步骤2：木棉纳米纤维素溶液的疏水改性：将硅烷偶联剂添加到步骤1所得的木棉纳米纤维素的溶液中，调节ph值，常温下搅拌反应得到改性的木棉纳米纤维素溶液；
10.步骤3：木棉纳米纤维素气凝胶的制备：将改性后的木棉纳米纤维素溶液放入模具中冷冻成型，然后进行冷冻干燥，得到木棉纳米纤维素气凝胶。
11.优选地，所述步骤1中的表面处理具体为：与naoh溶液混合后在80℃下搅拌1～2h，所述naoh溶液的浓度为10wt％。
12.优选地，所述步骤1中制备得到的木棉纳米纤维素溶液中木棉纳米纤维素的含量
为0.1～2wt％。
13.优选地，所述步骤2中的硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷；所述的调节ph值为采用冰醋酸将ph值调节至3～4；所述硅烷偶联剂的添加量为每100ml木棉纳米纤维素溶液中添加硅烷偶联剂0.1～2ml；所述搅拌反应的条件为：搅拌转速800～1000rpm，时间3～5h。
14.优选地，所述步骤3中冷冻成型的具体条件为：在冰箱
‑
20～
‑
25℃的条件下冷冻10h或在液氮
‑
196℃的条件下冷冻5min；所述冷冻干燥的条件为：温度
‑
60～
‑
70℃，时间48h。
15.本发明还提供了上述的木棉纳米纤维素气凝胶在油水分离和/或油液回收中的应用。
16.优选地，所述应用包括用于选择性吸附和/或回收矿物油、植物油、真空泵油、机油和有机溶剂中的一种或多种。
17.更优选地，所述有机溶剂包括氯仿、dmf、丙酮、dmso、甲苯、环己烷、异丙醇和乙醇中的任意一种或多种。
18.优选地，所述应用包括在制备油液回收装置中的应用。
19.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
20.1.本发明将来源广泛、廉价易得的木棉纤维进行打浆和均质化处理提取出木棉纳米纤维素并进行气凝胶的制备，可显著提升气凝胶的吸油能力，降低制备成本，简化制备过程；
21.2.本发明制备出的木棉纳米纤维素气凝胶具有良好的柔韧性，其密度为2.0
‑
11.0mg/cm3，能够选择性高效吸附矿物油、豆油、真空泵油、机油、氯仿、dmf和乙醇等多种油液和有机溶剂，常温下吸附倍率可高达350g/g之间；保油性能优异，达到97％；疏水效果好，接触角达到150
‑
160
°
；
22.3.本发明制备所得的木棉纳米纤维素气凝胶具有超高孔隙率和超低密度，并可进行生物降解；本发明的木棉纳米纤维素气凝胶可重复循环利用，循环使用次数可达50次以上，本发明的气凝胶材料还具有具有良好的亲油性和疏水性，可用作油水分离或过滤材料并可回收油液，具有广阔的应用前景。
附图说明
23.图1为实施例3中的油液回收装置的示意图。
具体实施方式
24.为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
25.以下实施例中所用的各原料均为市售产品。
26.实施例1
27.本实施例提供了一种木棉纳米纤维素气凝胶吸附材料的制备方法，将微纤化和均质化处理后得到的木棉纳米纤维素配置成均匀的悬浮液，调节溶液的ph在3～4之间，加入硅烷偶联剂进行疏水改性，冷冻后使用冷冻干燥法制备木棉纳米纤维素气凝胶。具体操作步骤如下：
28.步骤一、木棉纳米纤维素的提取：
29.将木棉纤维放入10wt％的naoh溶液中，在80℃下处理1h脱去木棉纤维表层的蜡质等杂质，然后用去离子水冲洗掉纤维上的碱液；然后用打浆机对木棉纤维进行打浆处理得到木棉纤维浆；再将木棉浆放入高压均质机进行均质化处理得到木棉纳米纤维素。取木棉纳米纤维素含量为0.4wt％的纤维素溶液到烧杯中，常温下使用磁力搅拌器搅拌2h得到均匀溶液；
30.步骤二、木棉纳米纤维素溶液的疏水改性：
31.使用冰醋酸将步骤一得到的溶液的ph调节到3～4之间，使用移液枪吸取0.2ml的乙烯基三甲氧基硅烷滴加到溶液中，常温条件下使用磁力搅拌器搅拌3h，转速为800rpm；
32.步骤三、木棉纳米纤维素气凝胶的制备：
33.将改性后的溶液放入模具中，在冰箱
‑
20～
‑
25℃的条件下冷冻10h(或者在液氮
‑
196℃的条件下冷冻5min)；再使用冷冻干燥机在温度为
‑
60～
‑
70℃条件下冷冻干燥48h获得木棉纳米纤维素气凝胶。
34.制备所得的2cm
×
2cm
×
1.2cm大小木棉纳米纤维素气凝胶测得密度为2.6mg/cm3，接触角为151
°
，将其放入水和三氯甲烷的混合溶液中，气凝胶可以从混合溶液中快速且选择性的吸附三氯甲烷溶液，吸附倍率为320g/g。
35.实施例2
36.本实施例提供了一种木棉纳米纤维素气凝胶吸附材料的制备方法，将微纤化和均质化处理后得到的木棉纳米纤维素配置成均匀的悬浮液，调节溶液的ph在3～4之间，加入硅烷偶联剂进行疏水改性，冷冻后使用冷冻干燥法制备木棉纳米纤维素气凝胶。具体操作步骤如下：
37.步骤一、木棉纳米纤维素的提取：
38.将木棉纤维放入10wt％的naoh溶液中，在80℃下处理1h脱去木棉纤维表层的蜡质，然后用去离子水冲洗掉纤维上的碱液；然后用打浆机对木棉纤维进行打浆处理得到木棉纤维浆；再将木棉浆放入高压均质机进行均质化处理得到木棉纳米纤维素。取木棉纳米纤维素含量为0.8wt％的纤维素溶液到烧杯中，常温下使用磁力搅拌器搅拌2h得到均匀溶液；
39.步骤二、木棉纳米纤维素溶液的疏水改性：
40.使用冰醋酸将步骤一得到的溶液的ph调节到3～4之间，使用移液枪吸取0.2ml的乙烯基三甲氧基硅烷滴加到溶液中，常温条件下使用磁力搅拌器搅拌3h，转速为800rpm；
41.步骤三、木棉纳米纤维素气凝胶的制备：
42.将改性后的溶液放入模具中，在冰箱
‑
20～
‑
25℃的条件下冷冻10h(或者在液氮
‑
196℃的条件下冷冻5min)；再使用冷冻干燥机在温度为
‑
60～
‑
70℃条件下冷冻干燥48h获得木棉纳米纤维素气凝胶。
43.制备所得的4cm
×
4cm
×
4cm大小的木棉纳米纤维素气凝胶密度为4.6mg/cm3，接触角为160
°
，将其放入水和矿物油的混合溶液中，通过采用一种连续的泵抽吸方法从油水乳剂中收集矿物油，具体为：将气凝胶放置在抽吸泵的管子的头端并放入油水混合溶液中，打开泵对油液进行连续抽吸，从而选择性过滤掉并回收混合溶液中的矿物油。
44.实施例3
45.本实施例提供了一种木棉纳米纤维素气凝胶吸附材料的制备方法，将微纤化和均
质化处理后得到的木棉纳米纤维素配置成均匀的悬浮液，调节溶液的ph在3～4之间，加入硅烷偶联剂进行疏水改性，冷冻后使用冷冻干燥法制备木棉纳米纤维素气凝胶。具体操作步骤如下：
46.步骤一、木棉纳米纤维素的提取：
47.将木棉纤维放入10wt％的naoh溶液中，在80℃下处理1h脱去木棉纤维表层的蜡质，然后用去离子水冲洗掉纤维上的碱液；然后用打浆机对木棉纤维进行打浆处理得到木棉纤维浆；再将木棉浆放入高压均质机进行均质化处理得到木棉纳米纤维素。取木棉纳米纤维素含量为0.5wt％的纤维素溶液到烧杯中，常温下使用磁力搅拌器搅拌2h得到均匀溶液；
48.步骤二、木棉纳米纤维素溶液的疏水改性：
49.使用冰醋酸将步骤一得到的溶液的ph调节到3～4之间，使用移液枪吸取0.4ml的乙烯基三甲氧基硅烷滴加到溶液中，常温条件下使用磁力搅拌器搅拌3h，转速为800rpm；
50.步骤三、木棉纳米纤维素气凝胶的制备：
51.将改性后的溶液放入模具中，在冰箱
‑
20～
‑
25℃的条件下冷冻10h(或者在液氮
‑
196℃的条件下冷冻5min)；再使用冷冻干燥机在温度为
‑
60～
‑
70℃条件下冷冻干燥48h获得木棉纳米纤维素气凝胶。
52.制备所得的2cm
×
2cm
×
2cm大小木棉纳米纤维素气凝胶的密度为4.6mg/cm3，接触角为150
°
，对植物油的吸油倍率约为180g/g。用一种自制的油液回收装置可以将吸附饱和的气凝胶中的油液释放出来进行回收，设备示意图如图1所示，具体过程如下：
53.通过油液回收装置的旋转轮的旋转可以将气凝胶中的油液释放出来，累积释放率可以达到90％，油液释放后，气凝胶可以被重复使用，重复吸附
‑
释放使用次数可达50次以上，且气凝胶的释放倍率不会发生明显降低。因此制备所得的木棉纳米纤维素气凝胶能够达到高效的回收、分离油液和实现气凝胶的多次循环重复使用。
54.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。