纤维素基大孔水凝胶的制备及其对染料废水的吸附-降解构效关系研究

To improve the removal efficiency of organic dyes in wastewater, novel cellulose-based macroporous hydrogels/cuprous oxide composite photocatalysts are designed and synthesized combining the properties of wide adsorption and rapid response of cellulose-based hydrogels with different functional groups and macroporous structure in this project. The effect of molecular structure of cellulose-based hydrogels on the interaction between hydrogels and dye molecules, as well as the rules and influencing factors of the capture of dye in aqueous solution are investigated in detail. The kinetics and thermodynamic models on the sorption of dyes by macroporous hydrogels will be revealed. Finally, the adsorption and diffusion behavior of dye molecules from the water phase transfer to the solid phase will be fully clarified. This research system blends the multi-active groups, porous, macropore, controllable microstructure of cellulose-based hydrogels, and visible light catalysis activity of cuprous oxide together. We believe that this fundamental understanding of hydrogel-dye interaction is helpful for the design and application of these adsorption-degradation system, and is important to solve the increasingly serious water pollution problem.

为提高印染废水中染料等有机污染物的去除效率，本项目将纤维素基水凝胶分子结构中多活性基团对不同类型染料分子的普适吸附与其大孔结构的快速响应相结合，通过结构调控及功能化设计，构建新型纤维素基大孔水凝胶/氧化亚铜复合可见光催化体系。重点研究染料吸附过程中纤维素基水凝胶及染料分子结构、表界面性质等对二者相互作用的影响，揭示纤维素基水凝胶捕获富集染料分子的规律及影响因素，建立其吸附动力学和热力学模型，阐明染料等有机污染物从液相（水）到固相（水凝胶）表界面和内部的吸附扩散行为、降解机制等基础理论问题。项目结合了纤维素基水凝胶的化学功能性、多孔性、大孔径和微结构可调控性，以及氧化亚铜的可见光催化活性，将为普适、高效地吸附-降解水中染料等有机污染物开拓新思路，提供新方法，对解决日益严重的水资源污染问题具有重要的科学与实际意义。

能源短缺和环境污染是当前世界各国可持续发展所面临的严峻挑战。因此，利用天然可再生资源，开发环境友好的生物质基功能材料并应用于环境净化处理，是解决上述问题的有效途径。. 本项目以纤维素为原料，通过分子设计和结构调控，制备具有多活性基团的三维多孔纤维素基水凝胶，并通过功能化改性，构建纤维素基大孔水凝胶/氧化亚铜复合可见光催化体系，探究其对水中目标污染物的吸附-降解行为。主要研究内容包括：（1）纤维素基大孔水凝胶的结构设计与可控合成；（2）纤维素基大孔水凝胶的吸附性能及吸附动力学与热力学；（3）纤维素基大孔水凝胶与染料分子间的相互作用关系；（4）纤维素基大孔水凝胶的功能化组装及其可见光催化性能。. 所得主要结果为：（1）以纤维素为原料，丙烯酸和丙烯酰胺为功能单体，利用接枝聚合技术成功制备含有羧基、氨基等活性基团的纤维素基大孔水凝胶。通过工艺调控可以改变所得纤维素基水凝胶的微孔结构和活性基团含量，使其孔尺寸在50-300 μm之间变化，表面羧基和氨基含量均可高达5-6 mmol/g。（2）以纤维素基大孔水凝胶作为吸附材料，去除水溶液中的阳离子染料亚甲基蓝和阴离子染料酸性蓝93，其对两种染料的吸附符合伪二级动力学和Freundlich等温模型，最大吸附量可分别高达1380和1270 mg/g。（3）在NaCl和表面活性剂SDS等物质共存条件下，纤维素基大孔水凝胶对亚甲基蓝和酸性蓝93仍保持80%以上的去除效率。这主要源自于染料分子与纤维素基大孔水凝胶表面和内部的羧基、氨基等活性位点之间的范德华力、静电相互作用和氢键相互作用。（4）利用原位沉积法制备纤维素基大孔水凝胶/Cu2O复合光催化材料，评价了其对亚甲基蓝的光催化降解性能。经30 min光辐射，亚甲基蓝的降解率可达98%以上，6次循环使用后，其降解率仍保持80%以上。这一结果表明，纤维素基大孔水凝胶/Cu2O复合光催化材料对亚甲基蓝具有高效、稳定的光催化降解活性。. 本研究工作为纤维素资源在水污染治理中的应用提供了技术基础，具有重要的理论意义和应用价值。