木质素作为自然界最丰富的生物质资源之一，其产量仅次于纤维素，工业木质素通常作为制浆造纸工业的废弃物排出^[1]。随着化石燃料的大量消耗，燃料资源的逐渐匮乏，及人们对环境问题的不断重视，可再生资源的开发利用成为新的研究热点^[2]。木质素作为一种无定型的天然聚合物含有酚羟基、甲氧基、醚键及羰基等多种官能团，但木质素仅具有较弱的金属离子吸附能力^[3-4]，通过化学改性向木质素中引入氨基和磺酸基等官能团可以提高其对金属离子的吸附性能^{[2, 5]}。木质素通过接枝改性搭建的多孔且富含官能团的材料而具有较好的重金属去除能力^[6-8]。另外木质素也可被用来合成树脂^[9]。

由于上述改性产物多数不溶于水，要将木质素作为螯合微肥（螯合态微肥可以稳定存在于土壤环境中使金属离子不易因产生沉淀而失效），增加其在土壤中的运移能力以及配合水肥一体化施用，一方面要增加其水溶性，另一方面要提高其对金属离子的络合能力。羧甲基化作为一种经典的改性方法被广泛用于改性纤维素^[10-11]、改性半纤维素^[12]、改性木聚糖^[13]、改性玉米粉^[14]、改性松针^[15]，并可以显著改善硫酸盐木质素的水分散性^[16]。羧基的亲水性和对金属离子的配位能力都很强，因此可以通过增加木质素中羧基的含量来使其具有作为水溶性螯合微肥的潜力。

工业处理不但会使天然木质素的结构发生改变，同时引入杂质^[17]，而且其本身反应活性位点暴露较少，限制了改性效率，而酚化前处理可以提高木质素的反应活性。关于酚化的机理、条件选择及结构变化已有较多的研究^[18]，也有报道指出通过酚化和羟甲基化两步前处理可以增加硫酸盐木质素的磺化反应位点，且产物具备较好的水分散性^[19]。而目前有关羧甲基化改性木质素的报道主要关注在酚羟基这一种反应位点上，至于是否可以通过羟甲基化使引入的羟甲基作为进一步羧甲基化反应的位点，还未见报道。结合羟基常作为羧甲基化反应位点这一事实，本研究通过对工业碱木质素进行酚化和羟甲基化两步前处理增加羧甲基化反应位点，来对工业碱木质素进行改性得到产物CMHPL。合成CMHPL 的实验路线如图 1所示。在此基础上我们初步测试了CMHPL的水溶性和对Zn²⁺的吸附性能。

1 材料与方法 1.1 原料及主要设备

玉米芯工业木质素，其总木素含量94.42%，碳水化合物含量0.63%，灰分2.16%，山东龙利生物科技股份有限公司。硫酸、苯酚、甲醛、氢氧化钠、氯乙酸、异丙醇、氯化锌均为分析纯。实验全程用水为去离子水。

恒温磁力搅拌器，50 mL 和100 mL 三口烧瓶，冷冻干燥设备，vario EL Ⅲ型元素分析仪，Nicolet 750型傅里叶红外光谱仪，LEICA DM 2500 型荧光显微镜，DTG-60 型热重分析仪，ET 18 型电位滴定仪，Z5000 型原子吸收光谱仪等。

1.2 实验方法 1.2.1 木质素酚化

取工业碱木质素（用L 表示）1 g与苯酚2 g混合在50 mL 三口烧瓶中，加入72%浓硫酸并占混合物质量的6.7%，110℃下搅拌20 min，然后转入1000 mL圆底烧瓶中并加入560 mL 去离子水，终止反应，将悬浮液煮沸3 h，趁热过滤并用温水充分洗涤沉淀，最后将沉淀物于60℃下烘干得到酚化木质素（PL），保存备用^[18]。

1.2.2 酚化木质素进行羟甲基化改性

取PL 1 g加入到50 mL 三口烧瓶中，并用10 mL氢氧化钠（2 mol·L^-1）进行溶解，加热到60℃并磁力搅拌，加入10 mL 甲醛反应2 h后再加入甲醛10 mL 反应2 h^[19]。反应结束用HCl 进行酸化（pH 为2），离心分离5 min（3900 r·min^-1）并洗盐3 次，沉淀物冷冻干燥即得产物HPL。

1.2.3 羧甲基化改性

羧甲基化改性反应条件是在参考改性废纸^[20]和改性磺酸盐木质素^[19]的基础上设计的。取HPL 1 g于100 mL 三口烧瓶中，加入60 mL 异丙醇后再加入3.6g NaOH，室温搅拌1 h。然后升温到40℃，加入1 g氯乙酸反应2 h，再加入1 g 氯乙酸继续反应2 h，反应全程磁力搅拌。反应结束用稀盐酸调节溶液的pH为7，并将其装入透析袋（去除分子量为3500 g·mol^-1）每8h换一次水，持续透析3 d，将盐分和未反应的氯乙酸等杂质除去。透析袋内的样品经冻干得到CMHPL。另外1 g PL在相同的实验条件下进行羧甲基化改性，得到CMPL作为对比。

1.3 改性产物的表征 1.3.1 红外光谱分析

取L、PL、HPL、CMPL 和CMHPL 样品少量，在105℃烘箱中干燥，然后与KBr 一起压片制备成红外扫描样品，用Nicolet 750 型傅里叶红外光谱仪在400~4000 cm^-1范围内扫描并记录样品红外光谱图。

1.3.2 元素分析

取L、PL、HPL、CMPL 和CMHPL 样品少量，在105℃烘箱中干燥，然后分别用Vario ELⅢ型元素分析仪在CHN 模式下进行碳、氢、氮元素的分析，剩余部分被认为是氧元素（100%-C%-H%-N%）^[21]。

1.3.3 溶解性和水分散性分析

测定L、CMPL 和CMHPL 的溶解率，并用荧光显微镜观察样品在水中分散状态（PL 和HPL 两种前处理产物均由沉淀的方法获得，因此不再做接下来的分析测试）。取样品0.1 g放入50 mL 离心管中并加入20 mL去离子水，室温下在往返振荡器上振荡1 h后从每个样品取出两滴，用荧光显微镜观察各样品颗粒在水中的聚集状态。之后将样品溶液离心（3500 r·min^-1）10 min，倒出并收集上部悬浮液部分及下部沉淀部分分别进行烘干称重。利用下式计算不同样品的溶解率，重复三次取平均值:

式中:a为样品的溶解率，%；W_t 为样品的质量，g；W_s为样品沉淀部分的质量，g。

1.3.4 改性木质素对Zn²⁺吸附量的测定

样品溶解性部分和沉淀部分可能对锌离子具有不同的吸附能力，样品（L、CMPL 和CMHPL）通过离心被分成了沉淀部分和水溶性部分。各样品不同组分约0.05 g放入20 mL 含锌溶液中（Zn²⁺浓度0.05 mol·L^-1）。室温下振荡24 h。将混合液全部移入透析袋中（去除分子量为3500 g·mol^-1）每8 h换一次水，透析3d，除去未被吸附的Zn²⁺。然后将透析袋内的液体转移到50 mL三角瓶中，在105℃的烘箱中进行烘干，再加入5 mL 混合酸（HNO₃ 3 mL+HClO₄ 2 mL）用电热板低温加热消解，直至剩余少量澄清透明的液体，用去离子水稀释并转移到50 mL容量瓶中定容，用原子吸收光谱仪（Z 5000）测定并计算各样品不同组分对Zn²⁺的吸附量。计算公式如下:

式中:Q_s为沉淀部分对Zn²⁺的吸附量，mg·g^-1；Q_l 为水溶性部分对Zn²⁺的吸附量，mg·g^-1；Q_t 为Zn²⁺的总吸附量，mg·g^-1；a为样品的溶解率，%；C_s为沉淀部分Zn²⁺浓度，mg·L^-1；C_l 为水溶性部分Zn²⁺浓度，mg·L^-1；V_s 为沉淀部分液体体积，mL；V_l 为水溶性部分液体体积，mL；m_s 为沉淀部分质量，0.05 g；m_l为水溶性部分质量，0.05 g。

1.3.5 电位滴定分析

使用自动电位滴定仪测定样品官能团的酸性并分析样品对Zn²⁺的螯合过程。以去离子水25 mL（pH1.6）作为溶剂，样品L、CMPL 和CMHPL各0.05 g分散其中，分别记为L，CMPL和CMHPL。氯化锌溶解于去离子水（Zn²⁺浓度为0.05mol·L^-1），作为锌溶液和形成待分析样品记为Zn²⁺。取0.05g L、CMPL和CMHPL加入到25mL 锌溶液中（pH1.6），分别形成分析样品并记为L-Zn²⁺、CMPL-Zn²⁺和CMHPL-Zn²⁺；以25mL去离子水（pH1.6）作为对照记为H₂O。用氢氧化钠溶液（pH11.5）作为滴定液，记录随碱的加入各样品的pH变化曲线。

1.3.6 热重分析

未反应木质素L 和终产物CMHPL 的样品各约7.5 mg，用DTG-60 型热重分析仪记录随温度上升样品的重量损失曲线及其一阶导数曲线。测试条件:氮气流速50 mL·min^-1，升温速率10℃·min^-1，从室温升到800℃。

1.4 数据处理

数据采用SPSS 20.0 软件统计分析及Origin Pro8软件作图。

2 结果与讨论 2.1 木质素改性前后的红外光谱表征

各样品的红外光谱图如图 2所示。羟基的吸收峰位于波数大于3000 cm^-1 处，五种材料在大于3000cm^-1 的位置均有吸收，表明各材料中均含有羟基。1602、1504、1454 cm^-1 处的吸收为苯环的骨架伸缩振动，L 在这些峰位的吸收较弱，是因为木质素中的芳香结构在工业生产中遭到了一定的破坏。PL 的苯环振动增强，说明酚化使苯环成功接入到木质素中。2929 cm^-1 处的吸收是由于甲基和亚甲基的C-H 伸缩振动^[22]，CMPL 和CMHPL 在此处有较强的吸收是因为羧甲基化改性形成了较多的亚甲基。C=O 的伸缩振动在1900~1650 cm^-1范围内，而强烈的氢键作用会使吸收峰向低波长方向移动。由于L、PL和HPL含有C=O，都在1700 cm^-1附近有吸收，CMHPL 和CMPL在1700 cm^-1处的吸收峰消失，因其中的羧基以羧酸盐的形式存在，而-COO-无羰基的伸缩振动吸收，故出现新的吸收峰1605 cm^{-1 [13]}和1420 cm^-1 表明羧基的存在^{[10, 23]}。-COO-是一个多电子共轭体系，由于两个C=O 振动耦合，在两个地方出现其强吸收，其中反对称伸缩振动在1610~1560 cm^-1，对称伸缩振动在1440~1360 cm^-1。1605 cm^-1和1420 cm^-1处的吸收强弱可以用来表明羧基含量的多少，与CMPL 相比，CMHPL 在1605 cm^-1 和1420 cm^-1 处有较强的吸收，表明木质素经酚化和羟甲基化两步前处理后更有利于通过羧甲基化引入羧基。1000~1100 cm^-1 处是CO-C 的非对称伸缩振动吸收，1030 cm^-1处CMHPL 和CMPL 与L 相比吸收增强，则是因为羧甲基化改性生成了许多醚键^[9]。1200 cm^-1处的吸收是由于甲氧基的C-O 伸缩振动，1335 cm^-1 是羟基或者亚甲基的非平面摇摆振动，3500 cm^-1是羟基的振动^[24]。红外光谱表征结果初步表明了木质素各步改性反应的成功。

2.2 元素分析

元素分析结果表明，L含碳60.0%，含氧33.8%，含氢5.2%（表 1）。苯酚、CH₃OH和CH₃COOH的C:H:O 的比例分别为76.6:6.4:17、12:4:16和6:1:8。元素的变化可以直观地反映官能团的变化。

与L相比，PL的碳含量增加而氧含量降低，因为木素酚化引入的苯环具有较高的C/O 比。羟甲基化反应和羧甲基化反应都会引入较低C/O 比的官能团（-CH₂OH，-CH₂COOH），所以与PL 相比，HPL、CMPL和CMHPL 的碳含量有所降低而氧含量有所提高，而且CMHPL 与其他材料相比具有最高的氧含量和最低的碳含量。这表明，CMHPL在增加含氧官能团含量的性质上优于CMPL。

2.3 热重分析

热重分析结果如图 3 所示，L 和CMHPL 都呈现三个阶段的重量损失。第一阶段发生在40~250℃范围内，源于样品水气及易挥发物质的损失。与L相比，CMHPL在低于250℃时表现较多的重量损失，由于改性反应向木质素中引入了较多羧基（亲水性官能团），在进行分析前CMHPL吸收了较多的水蒸汽。

当温度高于250℃时聚合物开始热解。L 在250~450℃之间约有50%的重量损失，CMHPL在300~450益之间约有22%的重量损失。CMHPL 在800℃时具有45%的质量残留，而L 仅有不到10%的质量残留，CMHPL相比于L热稳定性提高，是由于羧甲基化改性生成了热稳定性好的醚键^[16]。

2.4 溶解性分析

水溶性结果如图 4a 所示。L 具有非常低的水溶性（低于8.7%），CMPL水溶率为34.7%，CMHPL 水溶率为69.7%。这表明木质素经酚化、羟甲基化两步前处理以及羧甲基化改性，可在很大程度上提高材料的水溶性。

图 4b、图 4c、图 4d 分别为L、CMPL 和CMHPL分散在水中的荧光图像。L多为直径范围0~80 μm的大颗粒，由于碱木质素的疏水性使其在水中容易聚集成大颗粒，而CMPL和CMHPL 多为0~20 μm 粒径范围内的小颗粒。另外，L 和CMPL 的荧光图像中存有暗色的斑块，表明在这些暗色部分不含有木质素成分，而CMHPL的荧光图像整个背景荧光较强，且不存在暗色斑块，说明CMHPL较多地溶解于水中。CMPL和CMHPL 的颗粒较小且分散性好，一方面是因为亲水性官能团增加，另一方面是因为羧基通过-O-C-或者-C-O-C-与芳香环相连（图 1），倾向于分布在聚合物颗粒的表面，从而改性产物的颗粒表面带电性相同，造成颗粒间互相排斥^[22]。CMHPL颗粒表面含有较多的羧基使其与CMPL和L相比具有最好的分散性。

2.5 L、CMPL和CMHPL对Zn²⁺的吸附量分析。

由图 5 可知，三种样品的水溶性部分对Zn²⁺的吸附量均大于沉淀部分。木质素水溶性组分与沉淀组分具有不同的结构和性质，水溶性部分的亲水性官能团含量高，这些官能团对Zn²⁺的吸附也起到至关重要的作用。L的沉淀部分对Zn²⁺的吸附量仅有50.5 mg·g^-1，而CMPL和CMHPL的沉淀部分对Zn²⁺的吸附量分别为101.6、120 mg·g^-1。由于化学改性改变了木质素的官能团组成，尤其是羧基的引入增强了CMPL 和CMHPL 沉淀部分对Zn²⁺的吸附能力。L、CMPL 和CMHPL 的水溶性组分对Zn²⁺的吸附量分别为88.4、134.7、126.1 mg·g^-1，CMPL 和CMHPL 之间差异不大但均显著高于L。各样品（L、CPL 和CHPL）的Zn²⁺吸附总量分别为53.8、113.1、124.2 mg·g^-1。在CMHPL沉淀组分相对于CMPL 对Zn²⁺的吸附量较大的情况下，虽然CMHPL 水溶性组分相对于CMPL 对Zn²⁺的吸附量差异不显著，但其水溶率较高且水溶性部分对Zn²⁺的吸附量均大于沉淀部分，所以CMHPL 的水溶性组分对于Zn²⁺的总吸附量占有较大比例，因而CMHPL 最终表现出最大的Zn²⁺吸附量。

2.6 电位滴定分析

通过电位滴定能够判断材料表面官能团的含量和酸碱性^[25]。随碱的加入，样品溶液pH的变化如图 6所示。由图 6a 可以看出，CMHPL消耗了最多的氢氧化钠才达到pH 曲线的转折点，表明CMHPL具有最强的抗碱能力，因为其含有最多的羧基且其羧基表现较强的酸性。L和CMPL 达到pH 曲线拐点处所消耗的氢氧化钠量较少且抗碱能力低于H₂O，可能是由于木质素中的官能团（如羟基和醚键等）及N、S 元素质子化束缚了H+，表现出Lewis 碱性。CMPL 比L 的抗碱能力弱，是由于酚化改性向木质素中引入了较多酚羟基而其在木质素中表现碱性^[26]。CMPL经过了羧甲基化改性向木质素中引入了羧基，但其并未表现出强的抗碱性，原因可能有两个:一是羧甲基化的反应位点较少，使引入的羧基量较少；二是羧甲基化的反应位点是酚羟基，引入的羧基更倾向于是一种芳香性羧基，酸性弱。CMHPL进行羧甲基化改性，其反应位点主要是羟甲基位，反应位点多且引入的羧基受到芳香环共轭体系的影响较小，羧基更倾向于是脂肪族羧酸，酸性强。从图 6b、图 6c、图 6d 可以看出，Zn²⁺的滴定曲线有陡然的pH 上升点（pH3.0），Zn²⁺在此pH 处开始形成沉淀。但L、CMPL 和CMHPL 加入锌溶液后，碱的加入均使pH 上升曲线变平缓，且使曲线陡然上升处斜率由小到大的顺序是CMHPL-Zn²⁺、CM原PL-Zn²⁺、L-Zn²⁺。CMPL-Zn²⁺使pH曲线平缓的能力大于L，而CMPL 与L 相比具有较弱的抗碱能力（图 6a）。这样一种反转的结果，证明羧甲基化引入的羧基和Zn²⁺之间的配位作用释放出H⁺，进而激发了CMPL的抗碱能力，参见以下反应式:

Zn²⁺与H⁺竞争结合位点促使ROOH 释放更多的H⁺。Zn²⁺和ROO-进行配位，成功解释了CMHPL 和CMPL 对Zn²⁺的吸附量大于L 的原因。CMHPL 与CMPL 相比，抗碱能力的提高（图 6a）和使pH 曲线平缓的能力的增强（图 6c、图 6d），也说明酚化和羟甲基化两步前处理可以显著提高羧甲基化改性的程度，从而提高改性产物的络合能力。

3 结论

（1）酚化和羟甲基化两步前处理与仅进行酚化前处理相比，可以更多地增加木质素羧甲基化反应的位点。

（2）材料溶解性结果分析表明，与CMPL 和L 相比，CMHPL具备最好的水溶性和分散性。与L相比，CMPL和CMHPL的样品分散在水中以细小颗粒为主。

（3）与CMPL 和L 相比，CMHPL 综合表现出最好的Zn²⁺吸附和络合能力。

（4）电位滴定结果表明，与L和CMPL相比，CMHPL具有最强的酸性；CMPL 和CMHPL 与Zn²⁺配位能力强，并且此种配位作用能促使二者释放出更多H+。