淀粉-环糊精多元接枝共聚物的微波合成及其在纺织上浆和印染废水处理方面应用的研究

Cyclodextrin is used to substitute the traditional olefine monomers and grafted with starch, in order to develop a green environment protecting grafted starch which can not only used in textile sizing, but also in dyeing wastewater treatment, and completely biodegradable. The project is divided into three steps. Step I: α-cyclodextrin, β- cyclodextrin and γ- cyclodextrin are grafted with starch in microwave field for the first time to prepare three kinds of grafted starch: Stg-α-CD、Stg-β-CD and Stg-γ-CD, and the graft copolymerization kinetics of the three kinds of monomer in microwave field will be studied separately. Step II: Systematically investigate the physical, chemical, biological characteristics and the application properties in textile sizing and dyeing wastewater treatment of these three kinds of cyclodextrin grafted starch, in order to select the optimal species and combination of the monomers for preparing the target product. Step III: The selected monomer species will be grafted to starch in the optimal combination, in order to establish the multivariate graft copolymerization system and prepare the target product. The various properties of the product will be comprehensively studied to determinate the optimal production process, and finally, to develop a new generation of green grafted starch of “high performance, all-purpose, full biodegradable”, that has good merits in both textile sizing and dyeing wastewater treatment, and achieve the project goal.

采用环糊精替代传统烯烃类单体与淀粉进行接枝，开发一种既可用于纺织上浆，又可作为印染废水处理剂，且完全生物降解的绿色环保型接枝淀粉。课题将分三步进行。第一步：首次在微波场中分别将α-环糊精、β-环糊精和γ环糊精单体与淀粉接枝，制备出Stg-α-CD、Stg-β-CD和Stg-γ-CD三种接枝淀粉，并将首次分别研究三种单体在微波场中的接枝反应动力学。第二步：系统考察三种环糊精接枝淀粉的物理、化学、生物学特性及其在纺织上浆和染料吸附方面的使用性能，进而筛选出制备目标产品的单体品种及最优组合。第三步：将筛选出的单体品种以最优的组合与淀粉进行多元接枝，建立淀粉—环糊精多元接枝共聚体系，制备出目标产物。对产物的各项性能进行全面考察，以此确定最佳的生产工艺，最终开发出在纺织上浆和印染废水处理两方面均有突出表现且完全生物降解的新一代“高性能、多用途、全降解”绿色接枝淀粉材料，实现课题目标。

纺织工业是我国支柱产业，每年产生大量废水，纺织废水的污染主要来自废弃浆料与染料。淀粉是一种来源广泛的天然高分子，具有降解性好，易改性等特点。环糊精（CD）为环状葡萄糖，与淀粉结构相似，其天然疏水空腔可包络各种有机分子，环糊精对淀粉的接枝可显著改变后者的理化性质，使其成为高性能且环保的天然高分子浆料或吸附材料。. 本课题首先以甲基橙、酚酞及邻甲酚酞为分子探针分别建立了α，β及γ-CD的分光光度定量法，用于接枝率测定。随后分别以α-CD，β-CD及γ-CD对淀粉接枝，制备了三种环糊精接枝淀粉St-α-CD，St-β-CD及St-γ-CD。理化性能研究表明，接枝淀粉的性能同时受环糊精种类，分子量及分子构型的影响，并最终决定其用途。α-CD空腔较小，对染料分子包埋能力不强，但水溶性高，降解性好，因此St-α-CD适用于纺织浆料；St-γ-CD分子量大交联度高，结构稳定，且γ-CD空腔较大，包埋能力强，故适用于吸附材料。由此，本课题基于三种环糊精接枝淀粉各自的特性分别定位了其用途。. 在纺织上浆方面，St-α-CD的浆纱性能较天然淀粉显著改善，并接近PVA，其BOD5/CODCr达到0.794，可完全降解，是一种有望替代PVA的绿色天然高分子浆料。在纺织废水处理方面，St-β-CD与St-γ-CD对高浓度混合染料废水脱色率均接近90%，远高于传统无机吸附材料沸石及硅藻土，是两种高效的天然高分子吸附剂。其中St-γ-CD还表现出对不同结构和电性染料吸附的广谱性，及在吸附大分子染料方面的独特优势。吸附机理研究表明，环糊精接枝淀粉对染料的吸附行为结合了物理与化学吸附，在此过程中环糊精疏水空腔与染料分子的主-客体包络作用以及接枝淀粉极性基团与染料间的氢键作用均对吸附有重要影响。本课题开发的三种环糊精接枝淀粉分别在纺织上浆与纺织印染废水处理方面取得良好的应用效果，总体实现了课题研究目标。. 此外，针对环糊精接枝淀粉吸附染料速率相对较慢，且对重金属离子去除能力较弱的不足，本课题还开发了三种离子型接枝淀粉，可同时高效地去除印染废水中的染料及重金属离子，对天然高分子在纺织工业废水处理方面的应用亦具有重要意义。