1. 引言
在最近的一两百年内，工业的发展为人们的生产和生活创造了越来越多的物质财富，大幅度提升了人们的生活水平。然而，其发展的副作用也正在成为越来越不容忽视的问题，例如，在生产中所产生的越来越多的有毒有害的气体被排放到空气中，特别是化工厂、钢铁厂、制药厂等，排放的废气气味大，严重污染着环境并影响人体健康。在物质生活极大丰富的基础上，为了追求更加舒适健康的生活环境，废气处理 [1] 成为了人们亟待解决的问题。
随着人们环保意识的不断加强，对于生存的环境，特别是对空气、水等净化密切相关的环保材料 [2] [3] 的性能要求越来越高，其中颗粒活性炭 [4] 具有发达的孔隙结构，良好的吸附性能，机械强度高，易反复再生，造价低等特点而被广泛应用于气体的净化，废气处理等领域 [5] [6]。但是粒状或粉状的结构，使其在应用时有许多不便，降低了其对气体的吸附效率，从而限制了它的应用范围。木质纤维素 [7] 海绵具有比重小、比表面积大、孔隙率高、阻燃和保温的特点，并且具有良好的柔韧性。且其来源广、成本低、可再生、可生物降解，加工成海绵后质量轻，压缩回弹性能优异，便于储运，并且可以重复使用，具有很大的开发前景。但是木质纤维素海绵内孔隙率比较大，密度低，且未经改性的纤维素表面官能团单一，气体吸附能力低，因此在气体吸附领域不能很好的应用。
本研究通过在制备木质纤维素海绵过程中加入活性炭，降低了海绵的孔隙率，然后通过对其表面进行改性，增强了气体吸附能力。
2. 实验部分
2.1. 试剂与仪器
氢氧化钠为分析纯试剂，国药集团化学试剂有限公司；结晶硫酸钠为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；水为去离子水。
FD-1F-50T冷冻干燥机；Nova NanoSEM 450扫描电子显微镜；KQ-250DE台式数控超声波清洗器；HORIBA便携式PG-350气体分析仪。
2.2. 吸附材料的通用制备方法
1) 碱化：将木浆粕完全浸泡到氢氧化钠溶液中，维持温度35℃~45℃，浸泡时间为30~60 min，制成纤维素钠；
2) 黄化：向步骤1) 中制备的纤维素钠中通入一定量的二硫化碳，25℃~35℃下反应2~3 h，制成纤维素磺酸酯；将制备的纤维素磺酸酯加入到氢氧化钠溶液中，搅拌溶解混合均匀，然后静置24~36 h，制备分散均匀的纤维素粘胶液；
3) 混料：将纤维素粘胶液、木浆粕、硫酸钠晶体和纯水混合搅拌均匀，制成木质纤维素海绵体分散液；
4) 加入活性炭粉：将步骤3) 中制备的木质纤维素海绵体分散液加入活性炭粉，超声3~4 h，使活性炭粉均匀分散到海绵体的空隙中，然后经过冷冻干燥成型，得到活性炭木质纤维海绵体；
5) 漂洗：将步骤4) 中得到的木质纤维素海绵体加入水中漂洗3次，挤干水分，烘干即得木质纤维素海绵；
6) 将N,N-二甲基甘氨酸、N,N-二甲基天冬酰胺、N,N-二甲基组氨酸、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺、1-羟基苯并三唑加入到水中，然后加入氢氧化钠，搅拌混合均匀；
7) 将木质纤维素海绵浸泡于步骤1) 制备的混合溶液中，室温反应12~24 h，取出，压干木质纤维素海绵中的溶液，然后用水洗，压干，重复三次，烘干即得氨基酸改性的木质纤维素海绵。
2.3. 具有不同性能气体吸附材料的制备
基于吸附材料的通用制备方法，通过调整各步骤中原料的加入量、各原料的投料比以及添加剂的浓度等参数，我们制备了7个具有不同性能的木质纤维素海绵气体吸附材料。
2.3.1. 吸附材料1的制备
1) 碱化：将11 g木浆粕完全浸泡到100 ml氢氧化钠溶液中(质量分数为35%)，维持温度35℃，浸泡时间为30 min，制成纤维素钠；
2) 黄化：向步骤1) 中制备的纤维素钠中通入5.5 g的二硫化碳，25℃下反应2 h，制成纤维素磺酸酯；将制备的纤维素磺酸酯加入到50 ml氢氧化钠溶液中(质量分数为4%)，搅拌溶解混合均匀，然后静置24 h，制备分散均匀的纤维素粘胶液；
3) 混料：将30 g纤维素粘胶液、4 g木浆粕、55 g硫酸钠晶体和100 ml纯水混合搅拌均匀，制成木质纤维素海绵体分散液；
4) 加入活性炭粉：将步骤3) 中制备的木质纤维素海绵体分散液加入40 g活性炭粉，超声3 h，使活性炭粉均匀分散到海绵体的空隙中，然后在−30℃，8 Pa的压力下冷冻12 h干燥成型，得到活性炭木质纤维海绵体；
5) 漂洗：将步骤4) 中得到的木质纤维素海绵体加入100 ml水中漂洗3次，挤干水分，烘干即得木质纤维素海绵；
6) 将0.8 g N,N-二甲基甘氨酸、1.4 g N,N-二甲基天冬酰胺、1.2 g N,N-二甲基组氨酸、4.3 g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(EDC)、3.7 g 1-羟基苯并三唑(HOBT)加入到200 ml水中，然后加入0.92 g氢氧化钠，搅拌混合均匀；
7) 将3.5 g木质纤维素海绵浸泡于步骤1) 制备的混合溶液中，25℃反应12 h，取出，压干木质纤维素海绵中的溶液，然后用100 ml水洗，压干，重复三次，烘干即得氨基酸改性的木质纤维素海绵。
2.3.2. 吸附材料2的制备
与材料1的制备方式类似，其中在步骤1) 中，维持的温度及浸泡时间分别为40℃和40 min；在步骤4) 中，超声改为4小时；在步骤6) 中，EDC的量改为5 g。
2.3.3. 吸附材料3的制备
与材料2的制备方式类似，其中在步骤1) 中，氢氧化钠溶液质量分数调为40%；步骤2) 中氢氧化钠溶液质量分数调整为5%，二硫化碳的使用量为6 g；步骤4) 中使用的活性炭粉为45 g，超声3小时；步骤6) 中使用了1gN,N-二甲基甘氨酸、1.8 g N,N-二甲基天冬酰胺、1.5 g N,N-二甲基组氨酸、5.5 g EDC、5 g HOBT、氢氧化钠1.9 g；步骤7) 中则使用了4 g制备的木质纤维素海绵。
2.3.4. 吸附材料4的制备
与材料3的制备方式类似，其中步骤1) 中使用11 g木浆粕，氢氧化钠溶液质量分数为40%，浸泡时间为50分钟；步骤2) 中使用6.5 g二硫化碳，氢氧化钠溶液质量分数为5%；步骤3) 中使用30 g粘胶液、4 g木浆粕以及55 g硫酸钠晶体；步骤4) 中使用了45 g活性炭。
2.3.5. 吸附材料5的制备
与材料4的制备方式类似，其中步骤1) 中使用了11 g木浆粕、氢氧化钠溶液质量分数为40%，45℃浸泡时间为60分钟；步骤2) 中，使用7.0 g的二硫化碳，35℃下反应2 h，氢氧化钠溶液质量分数为8%；步骤3) 中使用30 g纤维素粘胶液、8g木浆粕以及70 g硫酸钠晶体；步骤4) 中使用了50 g活性炭，超声为3小时；步骤6) 中使用1.2 g N,N-二甲基甘氨酸、2.2 g N,N-二甲基天冬酰胺、1.8 g N,N-二甲基组氨酸、6.7 g EDC、6.0 g HOBT以及3.6 g氢氧化钠；步骤7) 中则使用5 g制备的木质纤维素海绵。
2.3.6. 吸附材料6的制备
与材料5的制备方式类似，其中步骤1) 中使用了11 g木浆粕、氢氧化钠溶液质量分数为45%，45℃浸泡时间为60分钟；步骤2) 中，使用7.0 g的二硫化碳，35℃下反应2 h，氢氧化钠溶液质量分数为8%；步骤3) 中使用30 g纤维素粘胶液、8 g木浆粕以及70 g硫酸钠晶体；步骤4) 中使用了50 g活性炭，超声为4小时，冷冻时间为16 h；步骤6) 中使用1.2 g N,N-二甲基甘氨酸、2.2 g N,N-二甲基天冬酰胺、1.8 g N,N-二甲基组氨酸、7.5 g EDC、6.5 g HOBT以及3.6 g氢氧化钠；步骤7) 中则使用5 g制备的木质纤维素海绵。
2.3.7. 吸附材料7的制备
与材料6的制备方式类似，其中步骤1) 中使用了11 g木浆粕、氢氧化钠溶液质量分数为45%，45℃浸泡时间为60分钟；步骤2) 中，使用7.0 g的二硫化碳，35℃下反应3 h，氢氧化钠溶液质量分数为8%；步骤3) 中使用40 g纤维素粘胶液、8 g木浆粕以及70 g硫酸钠晶体；步骤4) 中使用了50 g活性炭，超声为4小时，冷冻温度为−25℃，压力为10 Pa，冷冻时间为24 h；步骤6) 中使用2.0 g N,N-二甲基甘氨酸、3.0 g N,N-二甲基天冬酰胺、2.2 g N,N-二甲基组氨酸、16.1 g EDC、12.5 g HOBT以及3.1 g氢氧化钠；步骤7) 中则使用5 g制备的木质纤维素海绵。
3. 结果与讨论
3.1. 木质纤维素海绵的表征
我们通过扫描电子显微镜对吸附材料1制备的木质纤维素海绵的形貌进行观察，如图1所示，可以清楚的观察到木质纤维素海绵纤维丝及其均匀分散在其中的活性炭颗粒。
Figure 1. SEM image based on lignocellulosic sponge adsorption material
图1. 基于木质纤维素海绵吸附材料的SEM图像
3.2. 气体吸附性能研究
我们通过采集某水泥厂的废气，然后对制备的吸附材料经过相同条件的废气吸附后，对吸附过的废气进行检测，结果如表1所示。
Table 1. Detection data of exhaust gas before and after adsorption
表1. 废气吸附前后的检测数据
由表1的结果可以看出，基于木质纤维素海绵的废气吸附材料对废气中的污染物吸附效果显著，经吸附处理后能够达到大气污染物排放标准。其中材料7的性能最为优异，可以吸附99%以上的二氧化硫、二氧化碳以及97%以上的一氧化碳和氮氧化物。
4. 结论
1) 通过在木质纤维素海绵过程中加入活性炭，掺杂的活性炭颗粒可以填充到木质纤维素海绵纤维之间的孔隙中，增强了木质纤维素海绵的气体吸附能力。
2) 经氨基酸改性的木质纤维素海绵表面键合有二甲氨基、咪唑基、酰胺等，对二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳和氮氧化物具有良好的吸附能力。
3) 在通用合成方法的基础上，我们通过控制原料的投料量及投料比，制备了7种具有不同性能的气体吸附材料，通过对比实验发现这类材料具有优异的针对多种气体的吸附能力，在所有制备的7中材料中，材料7具有最为优秀的性能，足以满足工业生产中的使用需求。