基于合成纖維與植物纖維的改性及吸附性能研究

湯其明，蔣雪風(fēng)，朱 瑋，張春曉

（浙江海利環(huán)保科技股份有限公司，浙江嘉興 314305）

1 對位芳綸纖維改性

對位芳綸纖維有著高對稱性和高模量的化學(xué)結(jié)構(gòu)，這也是其優(yōu)越熱力學(xué)性能的重要表現(xiàn)，不過也在一定程度上對材料的應(yīng)用范圍產(chǎn)生了限制。為了對其應(yīng)用范圍進行拓展，將材料的性能更好地發(fā)揮出來，芳綸復(fù)合材料成了研究人員的首選?？紤]到材料本身的潔凈度較高，在對復(fù)合材料進行制備的過程中，基體難以與增強體實現(xiàn)可靠黏合，需要對其進行改性。

1.1 表面接枝改性

依照增強基和芳綸的反應(yīng)位置，可以將其分為苯環(huán)上的接枝反應(yīng)和基于酰胺鍵的接枝反應(yīng)。例如，金屬化改性芳綸技術(shù)主要是利用NaH和二甲基亞砜DMSO反應(yīng)，得到甲基亞硫基卡賓鈉，將其與芳綸分子鏈上的仲氮氫反應(yīng)后，芳綸會在DMSO溶液溶解。

1.2 表面涂層改性

表面涂層改性是借助物理或者化學(xué)反應(yīng)，對芳綸纖維材料表面的組織結(jié)構(gòu)進行改變，在保障其固有性質(zhì)的同時，使得材料能夠具備新的表面性能，以滿足不同環(huán)境和技術(shù)條件下的不同要求。Mai等使用SVF-200和Estapol-7008來對Kevlar進行涂覆，將涂覆后的纖維作為增強體，與環(huán)氧樹脂基體材料進行反應(yīng)，得到了相應(yīng)的負(fù)荷材料。實踐結(jié)果顯示，兩種材料都可以提升芳綸復(fù)合材料的韌性。

1.3 超聲浸漬改性

超聲浸漬改性主要是借助超聲波來提升基體和增強體的分散性，對樹脂和纖維的表面結(jié)合能力進行改善，從而實現(xiàn)復(fù)合材料力學(xué)性能的提高。有研究表明，超聲技術(shù)的應(yīng)用，能夠提升芳綸復(fù)合材料ILSS13%左右。

2 芳綸基復(fù)合材料吸附性能

通過對廢棄芳綸材料進行接枝改性等方式，制備出全新的具備良好吸附性的材料，可以對貴金屬離子進行富集和分離，在實現(xiàn)廢棄料回收利用的同時，也能夠?qū)χ亟饘俸唾F金屬引發(fā)的環(huán)境污染問題進行有效防范，形成綠色環(huán)保的循環(huán)體系。

2.1 復(fù)合材料制備

2.1.1 PPTA-CPTS制備

選擇250mL三口瓶，使用氮氣進行吹掃，確保瓶內(nèi)完全干燥且不存在其他雜質(zhì)氣體，加入1.2g NaH以及150mL DMSO溶液（提前48h加入氯化鈣，放置在干燥器內(nèi)干燥），于70℃的溫度下，保溫1h，然后借助冷水循環(huán)的方式冷卻至室溫。準(zhǔn)確稱量2.0g對位芳綸，加入瓶內(nèi)并且使用攪拌設(shè)備連續(xù)攪拌48h，再加入4.04mL CPTS（3-氯丙基三乙氧基硅烷），繼續(xù)攪拌16h，最終得到呈現(xiàn)為紫紅色的渾濁液體，將液體使用紗布過濾到燒杯中，滴加4%氟化銨溶液，保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，直到液體呈現(xiàn)為凝膠狀后，轉(zhuǎn)移到聚丙烯塑料瓶內(nèi)，于50℃恒溫下，靜置5d。將得到的產(chǎn)物水洗、抽濾、干燥以及抽提后，最終得到PPTA-CPTS。

2.1.2 PPTA-CP-AT制備

將經(jīng)過活化處理后的PPTA-CPTS準(zhǔn)確稱取5.0g，與10mL ATMP溶液共同放入到燒杯中，使用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，確保充分混合，然后放置在60℃的恒溫箱內(nèi)保溫1d，再于120℃的條件下，干燥反應(yīng)4h，自然冷卻后加入相應(yīng)的去離子水實施浸泡和抽濾，并將得到的產(chǎn)物放置在45℃恒溫箱內(nèi)，長時間干燥后，就能夠得到PPTA-CP-AT。

2.1.3 PPTA-CP-L制備

將經(jīng)過活化處理后的PPTA-CPTS準(zhǔn)確稱取4.0g，與2.0g L-脯氨酸共同放入25mL兩口燒杯，攪拌均勻，設(shè)置溫度條件-10℃，通過滴加的方式，加入7.1mL二氯亞砜，等待2h，逐漸將溫度升高到25℃，保持溫度不變，反應(yīng)12h。次日使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，設(shè)置溫度條件60℃，蒸發(fā)1h，再進行洗滌、抽濾和干燥，得到PPTA-CP-L。

2.2 吸附性能測定

稱取PPTA-CP-AT或者PPTA-CP-L 80mg，平均分為8份，放入錐形瓶內(nèi)，加入20mL濃度吸附質(zhì)溶液，設(shè)置溫度條件25℃，振蕩24h后，將瓶內(nèi)溶液依照比例稀釋，并對其濃度變化進行測量，依照相應(yīng)的公式計算吸附性能：

式中，q表示吸附量，mg/g；C0和Ce分別表示吸附前原液以及吸附后溶液中的離子濃度，mg/L；V表示移取的溶液體積，L；W表示吸附劑的質(zhì)量，g。

2.3 吸附性能

2.3.1 最佳吸附離子

稱取PPTA-CP-AT或者PPTA-CP-L 80mg，平均分為8份，放入錐形瓶內(nèi)，加入20mL濃度為2.0mmol/L的金屬離子溶液（Cu（Ⅱ）、Au（Ⅲ）、Zn（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）等）。將該吸附體系放置在25℃的恒溫環(huán)境下，連續(xù)振蕩24h，然后按比例稀釋后，測量濃度變化情況，對其吸附量進行計算。結(jié)合計算結(jié)果分析，PPTA-CP-AT對于Au（Ⅲ）有著較為顯著的吸附能力，吸附量能夠達到110mg/g，然后依次是Hg（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）和Zn（Ⅱ），吸附量也都超過了50mg/g；PPTA-CP-L對于Au（Ⅲ）的吸附量達到了460mg/g，對Hg（Ⅱ）的吸附量超過100mg/g，對其他金屬離子的吸附性較差。基于此，選擇的最佳吸附離子為Au（Ⅲ）。

2.3.2 對Au（Ⅲ）的吸附動力學(xué)

PPTA-CP-AT和PPTA-CP-L對于Au（Ⅲ）的吸附在一開始的50min內(nèi)，吸附速率呈現(xiàn)出不斷增長的態(tài)勢，吸附量與時間、溫度成正比。對PPTA-CP-AT和PPTA-CP-L吸附Au（Ⅲ）進行相應(yīng)的動力學(xué)計算，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將Bt值與不同溫度下對應(yīng)的點進行擬合，得到的直線不經(jīng)過零點，表明兩種材料對于Au（Ⅲ）的吸附屬于液膜擴散。為了能夠?qū)PTA-CP-AT和PPTA-CP-L在不同溫度環(huán)境下，吸附的Au（Ⅲ）質(zhì)量會隨著溫度的增高而不斷增大的現(xiàn)象進行解釋，針對兩種材料在不同溫度條件下吸附Au（Ⅲ）的動力學(xué)數(shù)據(jù)進行計算，依照計算結(jié)果分析，兩種復(fù)合材料在不同溫度下，對于Au（Ⅲ）的吸附屬于吸熱、體系混亂程度增加的過程。

2.3.3 對Au（Ⅲ）的吸附熱力學(xué)

在pH為4.0的情況下，將溫度設(shè)定為15℃、25℃和35℃，對PPTA-CP-AT和PPTA-CP-L對于Au（Ⅲ）的吸附等溫曲線進行繪制，可以明確，同等條件下，溫度越高，兩種材料對于Au（Ⅲ）的吸附量越大；溫度固定伴隨著初始溶液濃度的增加，兩種材料對于Au（Ⅲ）的吸附量也會逐漸增大。

2.3.4 洗脫再生

結(jié)合相關(guān)研究分析，硫羰基對Au（Ⅲ）有著良好的絡(luò)合能力，能夠有效洗脫Au（Ⅲ）?；诖?，可以選擇硫脲作為洗脫劑，對上述復(fù)合材料的復(fù)用能力和分離富集能力進行研究。取飽和吸附的PPTA-CP-AT-Au（Ⅲ）和PPTA-CP-L-Au（Ⅲ），加入0-5%的硫脲溶液以及0.1mol/L的鹽酸混合溶液進行洗脫，控制溫度為25℃，連續(xù)振蕩24h，結(jié)合實驗結(jié)果分析，在5%的濃度下，硫脲具備最佳洗脫效果，因此，在研究材料再生性能的過程中，應(yīng)該選擇該溶液進行相應(yīng)的實驗。在針對吸附劑再生性能進行研究的過程中，應(yīng)該定量稱取完成吸附后的吸附劑，使用5%硫脲酸溶液開展重復(fù)實驗，結(jié)果顯示，在經(jīng)過3次重復(fù)實驗后，吸附劑依然可以保持較高的吸附能力和解析能力，這也表明兩種材料都可以實現(xiàn)循環(huán)利用，在工業(yè)廢水處理、重金屬離子富集等方面，有著一定的實用價值，應(yīng)該得到重視和推廣。

3 植物纖維改性及吸附性能

選擇杜仲作為原料，利用鹽酸以氫氧化鈉溶液進行相應(yīng)的表面處理，然后在表面接枝L-脯氨酸，研究材料的吸附性能。

3.1 改性處理

將清洗干凈的杜仲在水中浸泡4h然后粉碎，使用100目篩子過篩，然后準(zhǔn)確稱取5.0g粉末，加入乙醇-乙酸混合溶液中，于室溫條件下，連續(xù)攪拌2h，進行抽濾洗滌，得到的產(chǎn)物再次浸泡于100mL 4%氫氧化鈉溶液2h，之后將溶液的pH調(diào)整為中性，再次進行抽濾洗滌。獲得的產(chǎn)物加入70mL 7%乙酸溶液中，設(shè)置反應(yīng)溫度75℃，連續(xù)攪拌1h后，進行抽濾、洗滌和干燥。

選擇25mL兩口燒瓶，加入8.0g L-脯氨酸以及4.0g經(jīng)過表面活化處理后的DZ，攪拌后，設(shè)置反應(yīng)溫度-10℃，滴加7.1mL二氯亞砜，保持2h后，逐步提高溫度到25℃，保持恒溫反應(yīng)12h。次日放入到旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，于60℃的溫度下，蒸發(fā)1h，對產(chǎn)物進行洗滌、抽濾和干燥處理，可以得到DZ-L改性材料。

3.2 吸附性能

3.2.1 最佳吸附離子

結(jié)合相應(yīng)的吸附性能測試，DZ-L對于Au（Ⅲ）的吸附量最佳，達到了462.82mg/g，對Hg（Ⅱ）的吸附量次之，為158.04mg/g，可以看出，DZ-L對于Au（Ⅲ）有著比較突出的吸附能力。

3.2.2 對Au（Ⅲ）的吸附動力學(xué)

吸附量與時間、溫度呈正比，換言之，當(dāng)時間延長、溫度升高時，吸附量也會隨之增大，達到吸附平衡需要的時間在12h左右。依照相關(guān)公式，對DZ-L吸附Au（Ⅲ）的動力學(xué)數(shù)據(jù)進行擬合，可以明確，當(dāng)Bt-t擬合直線在t位置為0時，與y軸相交，不穿過原點，這也表明DZ-L對于Au（Ⅲ）的吸附過程屬于膜擴散。

3.2.3 對Au（Ⅲ）的吸附熱力學(xué)

在pH為4.0的情況下，將溫度設(shè)定為15℃、25℃和35℃，對DZ-L對于Au（Ⅲ）的吸附等溫曲線進行繪制，可以明確，同等條件下，溫度越高，DZ-L對于Au（Ⅲ）的吸附量越大；溫度固定時，初始溶液溶度增加時，DZ-L對于Au（Ⅲ）的吸附量也會隨之增大，而且在15～25℃的增加幅度顯著高于25～35℃的幅度。

3.2.4 洗脫再生

結(jié)合相關(guān)文獻可知，硫羰基對Au（Ⅲ）有著良好的絡(luò)合能力，能夠有效洗脫Au（Ⅲ）?；诖?，可以選擇硫脲作為洗脫劑，對DZ-L的復(fù)用能力和分離富集能力進行研究。設(shè)置反應(yīng)溫度為25℃，連續(xù)振蕩24h，對照結(jié)果可知，在經(jīng)過3次重復(fù)實驗后，DZ-L對Au（Ⅲ）的吸附能力雖然有所下降，但是依然保持在相對較高的水平，這也表明DZ-L能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)利用，在工業(yè)廢水處理、重金屬離子富集等方面，有著一定的實用價值。

4 結(jié)語

總而言之，以合成纖維以及植物纖維作為基體，經(jīng)過改性的方式，制備出了具備較高吸附性能的材料，三種材料的吸附能力從強到弱依次是DZ-L、PPTA-CP-L、PPTA-CP-AT，而且三種材料都具備較高的循環(huán)利用價值，能夠很好地適應(yīng)綠色發(fā)展以及可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實需求，技術(shù)人員在對材料進行選擇和使用的過程中，需要充分考慮實際需求，明確材料的性能，將材料的作用和價值最大限度地發(fā)揮出來。