榆树皮胶粉制备改性天然高分子絮凝剂

发布日期:2015-03-15 11:07:18

榆树皮胶粉制备改性天然高分子絮凝剂和榆树皮胶粉

榆树皮胶粉制备改性天然高分子絮凝剂,我国中科院植物研究所等单位的学者自20世 纪60年代起即对田菁胶、刨花楠树胶、仙人掌汁等 多种植物胶进行了不同方法的改性研究和应用试 验m。华南理工大学uw在植物胶粉的改性和应用方 面做了比较深人的研究,主要引人不同阴离子和阳离子基团合成天然高分子絮凝剂,应用于石油废水、 糖蜜废水、印染废水、城市污水和饮用水的处理,均 获得较好的处理效果。目前,改性对象主要有田菁 胶、刨花楠树胶、仙人掌汁等,鲜有对榆树皮胶粉的 改性利用报道。笔者对榆树皮胶粉的主要化学成分 进行了研究,针对其天然组分进行了阴阳离子改性, 探讨了最佳合成工艺条件,并采用红外光谱对改性 产物进行了表征。

榆树皮胶粉是以北方常见植物榆树皮为主要原 料而生产的一种天然高分子植物胶粉,通常用于人 药或保健食品[4)。本研究取市售榆树皮胶粉过50目 (0.1 mm)筛备用,其主要化学成分如表1所示。其 中,纤维素和半纤维素的测定采用浓酸水解定糖法,
W
20
25
g^s40
淀粉的测定采用斐林试剂法,总糖的测定采用蒽酮 比色法,总糖和淀粉的检测有交叉。
表1榆树皮胶粉主要化学成分
成分纤维素半纤维素淀粉总糖
质量分数/%46.516298.5
1.2仪器和试剂
仪器:Nicolet 5700型红外光谱仪,美国Thermo Nicolet仪器公司;日本D/max 2000 XRD衍射仪;乌 氏黏度计,上海玻璃厂;PHS-2型酸度计,上海雷磁 仪器厂;MY3000-6A型六联搅拌器,潜江梅宇仪器 有限公司;2100AN浊度仪,上海雷磁仪器厂。
试剂:榆树皮胶粉(过50目筛)、乙醇(AR)、氢 氧化钠(AR)、氯乙酸(AR)、丙烯酰胺(AR)、硝酸铈 铵(AR),上海国药集团化学试剂有限公司生产。
13实验方法
1.3.1榆树皮股粉接枝共聚物的制备
称取50 g榆树皮胶粉置于反应器中,加人 30 mL95%的乙醇润湿分散,榆树皮胶粉制备改性天然高分子絮凝剂,再加人一定量质量分 数为15%的氢氧化钠溶液,在70 X:下慢速搅拌碱化 一定时间,然后加入氯乙酸进行阳离子改性;在一定 温度下反应0.5 h后,加人一定量的丙烯酰胺单体, 之后加入丙烯酰胺单体质量的0.1%的硝酸柿铵(引 发剂)进行接枝共聚,反应2〜5h,得到黏稠棕色液 体,即为合成的改性榆树皮胶粉接枝共聚物。
1.3.2产物特性黏度
以0.1 m〇l/L氯化钠水溶液作溶剂,配制质量分 数为0.5%的样品溶液,用乌氏黏度计测定试样各稀 释点的特性黏度,并换算成相对黏度。
1.3.3 混凝实验
配制质量分数为0.5%的高岭土悬浊液,取 200 mL置于六联搅拌器上,先投加15 mg/L聚合氯 化铝(PAC)溶液,再投加5mg/L榆树皮胶粉改性絮 凝剂,快揽1 min,慢揽14 min,沉淀30 min后取上 清液检测其浊度。浊度的测定采用浊度仪。
1.3.4榆树皮肢粉接枝共聚物的表征
采用红外光谱进行榆树皮胶粉接枝共聚物的 表征。采用溴化钾压片,扫描波长范围为400~ 4 000cnrU5〕。
2结果与讨论
2.1不同因素对榆树皮胶粉碱化过程的影响 2.1.1 碱用量对碱化过程的影响
榆树皮胶粉的主要成分为纤维素、半纤维素、淀
-18- 粉等,而碱溶液能使纤维素发生溶胀,并充分释放淀 粉包裹基团,从而提高榆树皮胶粉的反应活性。在榆 树皮胶粉质量为50 g、95%乙醇投加体积为30 mL、 碱化温度为70 T、碱化时间为3 h、醚化阶段氯乙酸 质量为10g的条件下,改变氢氧化钠用量,考察碱 投加量对产物黏度和絮凝性能的影响,结果见图1。 120
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氢氧化钠投加量/g
图1氢氣化钠投加置对改性絮凝剂的影响
由于氢氧化钠和氯乙酸在羧甲基化反应中有交 互作用,反应必须在碱性条件下进行,以避免产物水 解;但碱性不宜过大,否则,会消耗部分氯乙酸生成 副产物氯乙酸钠,使参与竣甲基化反应的氯乙酸减 少,造成改性榆树皮胶粉絮凝剂的带电基团减少,絮 凝性能降低。由图1可知,当氢氧化钠投加量<10g 时,随着碱量的增加,改性絮凝剂的黏度增加,这是 因为碱化越彻底,能参与接枝共聚反应的活性基团 越多,从而分子质量越大当氢氧化钠投加量>10 g 时,由于碱量过多,使得原本具有一定分子质量和分 子架桥作用的纤维素和淀粉水解过度,反而降低了 产物的分子质量,产品黏度下降。另一方面,副产物 增加可导致羧甲基化反应受到抑制,因而产物絮凝 性能下降。因此,选用氢氧化钠投加量为10g。
2.1.2氯乙酸用量对碱化过程的影响
维持碱用量、碱化时间、碱化温度不变,榆树皮 胶粉质量为50 g,改变氯乙酸用量,考察氯乙酸投加 量对产物黏度和絮凝性能的影响,结果如图2所示。
由图2可知,氯乙酸投加量为2.5 g时,相对黏 度仅为5,浊度去除率仅为50%,这是因为当氯乙酸 投加量过少时,反应不够充分,碱过剩造成榆树皮胶 粉快速降解,且改性絮凝剂的电中和作用下降;而当 氯乙酸投加量从12.5 g上升至17.5 g时,相对黏度 从20下降至10,浊度去除率从99%下降至45%,这 是因为氯乙酸投加量过多,反应体系游离碱减少,反
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应物料的活性减低,合成产物取代度明显下降,导致 改性絮凝剂吸附架桥作用下降。榆树皮胶粉制备改性天然高分子絮凝剂,当氯乙酸投加量为 12g时,产物的絮凝性能最佳。因此,选用氯乙酸投 加量为12 g。
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+浊度去除率
图2氮乙酸用量对改性絮凝剂的影响
2.2不同因素对榆树皮胶粉接枝共聚过程的影响
2.2.1单体投料比对接枝共聚的影响
在接枝共聚温度为75丈、引发剂硝酸铈铵质量 为榆树皮胶粉质量的0.1%的条件下,考察丙烯酰胺 单体投加量对产物黏度和絮凝性能的影响,结果如 图3所示。
从图3可以看出,当单体投加量过小时,产物的 黏度小,絮凝性能差。随着单体质量的增大,产物的 黏度和絮凝性能均逐渐增高,当m(丙烯酰胺(榆 树皮胶粉;)=3:5时,产物相对黏度最大,为20,浊度 去除率在95%以上,这是由于随着单体质量的增 大,参加反应的分子数增加,单体碰撞的机会增多, 聚合度增加,分子链增长,产物的分子质量升高,相 对黏度也相应增大,絮凝性能增强。当丙烯酰 胺):m(榆树皮胶粉)>3:5时,由于参加反应的分子数
过多,反应迅速,聚合热不易散出,易发生暴聚 产物的黏度和絮凝性能又逐渐下降。因此,选择 m(丙烯酰胺)冰(榆树皮胶粉)=3:5比较适宜。
2.2.2反应温度对接枝共聚的影响
在m(丙稀酰胺(榆树皮胶粉)=3:5、引发剂 硝酸铈铵质量为榆树皮胶粉质量的0.1%的条件下, 考察反应温度对产物黏度和絮凝性能的影响,结果 如图4所示。
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从图4可以看出,当反应温度<75 时,随着反 应温度的升高,产物黏度和絮凝性能均增大。这是由 于温度升高可增加分子布朗运动,从而增加了反应 速率,使聚合反应更为彻底[llw"。当反应温度>75 ^ 时,随着反应温度的升高,产物黏度和絮凝性能降 低。这是由于聚合反应属于放热反应,温度过高会阻 碍平衡向聚合方向偏移。当反应温度>85丈时,由于 部分淀粉成分发生熟化变性,产物黏度和絮凝性能 急剧下降。因此反应温度选择75 ^比较合适。
2.3红外光谱分析
榆树皮胶粉改性前后的红外光谱分析结果如图 5、图6所示。
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图5榆树皮胶粉的红外光谱
60 .
503 4002 4001 400400
波数/cm-i
图6改性榆树皮胶粉的红外光谱
由图5和图6可以看出,改性前,榆树皮胶粉在 1 150 cm-1及1 051 cm-1处出现叔醇和伯醇C—OH 吸收峰,但是改性后两峰消失,说明羟基与氯乙酸发 生羧甲基化。改性后于717cm-1处出现长链亚甲基吸 收峰,说明分子链增大,发生了接枝共聚。另外,改性 后于3 179 cm-1附近出现与一N+相连的一CH3的伸 缩振动吸收峰,1 660 cnT1附近出现酰胺基中羰基 C=:〇的特征吸收峰。榆树皮胶粉制备改性天然高分子絮凝剂,除了上述特征峰外,从图6还 可以看出,1 430cn^处还出现了与一N+键合的双甲 基特征峰,961 cm-1处出现了季胺基一 (CH2)N+(CH3)2 的特征吸收峰证实了丙烯酰胺和榆树皮胶粉 发生了共聚。
3结论
榆树皮胶粉含有丰富的纤维素、淀粉和多糖,采 用氯乙酸和丙烯酰胺进行改性可以有效地提高其黏 度和絮凝性能;当碱化温度为70丈,碱化时间为 3 h,m(榆树皮胶粉):m(氢氧化钠):m(氯乙酸(丙 烯酰胺)=5:1:1.2:3,聚合温度为75聚合反应时间
为5 h时,产品具有最佳的絮凝效果和最高黏度;红 (上接第16页)
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