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蔗渣是制糖过程的主要副产物,如何实现蔗渣的高值资源化利用是当前研究的热点。木质素作为蔗渣的重要组分,因其结构含有大量的酚羟基、醇羟基和羧基等活性基团,有利于进一步化学改性,使其在重金属污染治理中具有较好的应用潜力。但蔗渣木质素对重金属的去除效率有待提高,对重金属的选择性去除及机制鲜见报道。本研究运用核磁共振光谱(NMR)、傅里叶变换红外吸收光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)等现代仪器分析手段,结合密度泛函理论(DFT)和吸附模型分析,探究蔗渣木质素的高效提取、定向改性以及重金属离子选择性吸附机制,为蔗渣的高值资源化利用以及木质素在重金属污染治理中的应用提供理论依据。主要研究结果如下:(1)超声强化处理后蔗渣呈网状结构,提高了碱抽提对蔗渣木质素(BL)的提取率,提取率达到60.60%,是未超声处理的1.42倍。用乙醚/甲醇逐级浸提BL,分别获得乙醚纯化分级蔗渣碱木质素(BL1),甲醇纯化分级蔗渣碱木质素(BL2)和不溶性分级蔗渣碱木质素(BL3)。其中,BL2的质量分数最高,为57.31%,其结构呈现疏松多孔特性,芳基醚减少,G型结构单元的摩尔比增加,S和H型减少,总羟基和脂肪族羟基含量分别为3.7997和0.9559 mmol/g,是BL的1.55倍和1.59倍。(2)BL2经酚化-胺化改性获得分级蔗渣碱木质素(A-P-BL2);BL2酚化改性后,脂肪族羟基降低了0.5992 mmol/g,酚羟基提高了0.6083 mmol/g,说明酚羟基引入到木质素结构中,这是由于木质素脂肪链α碳羟基与邻近质子脱水形成碳正离子与苯酚对位碳原子发生取代反应;进一步胺化改性后,氮含量高达9.44%,C-N键吸收峰明显增强,原因是二乙烯三胺的叔胺正离子和酚化改性蔗渣木质素(P-BL2)的苯环酚羟基邻位碳原子发生结合。(3)重金属离子静态吸附研究结果表明,A-P-BL2对Cu2+、Pb2+和Cd2+吸附量均有较大提高,平衡吸附量分别可达到48.54、48.82和36.43mg/g。A-P-BL2对Cu2+、Pb2+的吸附符合Langmuir等温式,是理想均匀的单层吸附,而对Cd2+的吸附符合Freundlich等温式,是非均相多分子层吸附;A-P-BL2对三种重金属离子的吸附过程均为自发进行的放热熵增过程,符合拟二级动力学模型,且受膜扩散和颗粒内扩散等过程控制。(4)重金属离子动态竞争研究结果表明,A-P-BL2对三种重金属吸附选择顺序为:Cu2+>Pb2+>Cd2+,表现出对Cu2+具有较高的吸附选择性,通过DFT计算发现这是由于Cu2+的伯胺型配合物结合力、前线轨道能极差(△EHOMO-LUMO)和拉普拉斯键级(LBO)值最大,自然键轨道(NBO)值最小,中心离子电荷最高导致的。综上所述,在高效提取蔗渣碱木质素的基础上,通过对其进行酚化-胺化靶向改性,以及重金属离子选择性吸附机制的阐明,可为蔗渣木质素在重金属去除过程调控和工程应用提供理论依据。