纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠的制備及其對亞甲基藍(lán)的吸附機(jī)制

周慧敏 丁新波 劉濤 仇巧華

摘 要：將新型二維納米材料摻雜進(jìn)凝膠三維結(jié)構(gòu)框架材料得到復(fù)合凝膠，可以增強(qiáng)凝膠對亞甲基藍(lán)染料（MB）吸附能力，對于研究去除印染廢水具有重要意義。以微晶纖維素為凝膠框架材料，MXene（MX）為功能摻雜劑，通過冷凍干燥法制備纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠。利用掃描電子顯微鏡、傅里葉紅外光譜、EDS元素分析等表征其微觀形貌及化學(xué)結(jié)構(gòu)，并探究對亞甲基藍(lán)的吸附作用。結(jié)果表明：制備的MXene呈現(xiàn)二維層狀結(jié)構(gòu)，摻雜后復(fù)合氣凝膠呈現(xiàn)三維多孔結(jié)構(gòu)，且MXene的加入提高了復(fù)合氣凝膠的孔隙率；復(fù)合氣凝膠的吸附效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純纖維素氣凝膠，對亞甲基藍(lán)的吸附率高達(dá)80%；當(dāng)溫度為20 ℃，染料溶液初始質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，復(fù)合氣凝膠質(zhì)量為100 mg，吸附效果最佳，通過動(dòng)力學(xué)模型擬合分析，復(fù)合氣凝膠吸附亞甲基藍(lán)染料主要吸附過程為化學(xué)吸附。

關(guān)鍵詞：MXene；微晶纖維素；復(fù)合氣凝膠；亞甲基藍(lán)；染料吸附

中圖分類號(hào)：TQ352.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2023）04-0093-10

收稿日期：2022－11－30

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023－02－24

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31900964）

作者簡介：周慧敏（1997—），女，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，主要從事生物基質(zhì)復(fù)合材料在污水處理方面的研究。

通信作者：劉濤，E-mail：maggie_liu310@163.com

許多環(huán)境問題尤其是水污染問題已經(jīng)引起世界廣泛關(guān)注。印染廢水作為水環(huán)境污染最為嚴(yán)重的來源之一［1］，不僅廢水量大、含有大量有機(jī)物污染和破壞生態(tài)環(huán)境［2-3］，而且廢水中的染料分子會(huì)引起人類腎臟、大腦、生殖系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的誘變性功能障礙［4］，對人體健康造成嚴(yán)重危害。因此，減輕水污染、處理染料廢水是一項(xiàng)迫切的任務(wù)［5］。亞甲基藍(lán)（MB）染料作為染料中最常見堿度陽離子染料，由于其具有毒性、致癌性、誘變性還有對水生態(tài)的非生物降解性等缺點(diǎn)［6］，一直被認(rèn)為是水環(huán)境中主要的有害有機(jī)污染物之一。常見的印染廢水處理方法包括沉淀法、光催化分解法、微生物分解法、吸附法和膜過濾法等［7］。其中，吸附技術(shù)因其技術(shù)可行性好、去除率高、操作方便、成本低和對環(huán)境友好等優(yōu)勢在染料廢水處理中受到廣泛關(guān)注［8］。

近年來，納米顆粒摻雜生物質(zhì)基吸附材料因其分散性好、容易回收、對環(huán)境友好等特點(diǎn)，在印染廢水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，具有三維多孔結(jié)構(gòu)的纖維素基氣凝膠［9］，有著低密度和高比表面積的特點(diǎn)。但是纖維素的固有吸附能力較低［10］，導(dǎo)致吸附效果不是很樂觀。MXene作為一種新型二維結(jié)構(gòu)材料［11］，在蝕刻和脫層過程中，使得MXene的整個(gè)表面均勻地形成了大量的終止基團(tuán)（Tx、—O、—OH和—F）。MXene因有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)、較大的比表面積以及豐富的表面官能團(tuán)而備受歡迎并廣泛應(yīng)用于電化學(xué)、儲(chǔ)能、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［12］，近年來在染料吸附方面也有許多研究［13］，特別是由于MXene表面帶有豐富的負(fù)電荷，與帶正電荷的陽離子染料亞甲基藍(lán)染料發(fā)生靜電相互作用從而達(dá)到去除染料的目的［14］。因此將MXene二維納米結(jié)構(gòu)材料摻雜進(jìn)纖維素氣凝膠三維框架，得到的纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠可以大幅提高纖維素氣凝膠對亞甲基藍(lán)染料的吸附能力。

本文以微晶纖維素為凝膠網(wǎng)絡(luò)，摻雜二維結(jié)構(gòu)納米材料MXene，通過冷凍干燥法制備纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠，并用于亞甲基藍(lán)陽離子染料的吸附。利用掃描電子顯微鏡、傅里葉紅外光譜、EDS元素分析等表征其微觀形貌及化學(xué)結(jié)構(gòu)，并探究纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠在不同質(zhì)量、溫度、染料初始質(zhì)量濃度等條件下對亞甲基藍(lán)的吸附效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

鹽酸（HCl，AR），杭州雙林化工試劑有限公司；氟化鋰（LiF，分析純）、碳鈦化鋁（Ti3AlC2，98%，200目）、無水乙醇（C2H5OH，AR），杭州高精細(xì)化工有限公司；去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制；微晶纖維素（AR），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉（NaOH，分析純），天津市永大化學(xué)試劑有限公司；尿素（AR），上海麥克林生化科技有限公司；無水乙醇（C2H5OH，AR），杭州高精細(xì)化工有限公司。CP 114電子分析天平（美國Ohaus有限公司），S 28-1磁力攪拌器（上海志威電器），F(xiàn)D-1 A-50冷凍干燥機(jī)（上海比朗儀器制造），AD-50 C LED液晶數(shù)顯電子防潮箱（珠海安德寶科技），BCD-201 E/A冰箱（海信容聲冰箱廣東），U1tra 55場發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國Carl Zeiss公司），D 8 discover X射線衍射儀（德國Bruker AXS），JSM-5610 LV電子能譜儀（日本Jeol公司），Nicolet 5700傅里葉紅外光譜儀（美國Therom Electron公司），DDSJ-308 A電導(dǎo)率儀（雷磁公司）。

1.2 MXene的制備

采用HCl與LiF（MAX相）間接刻蝕方法，此方法刻蝕MXene是一個(gè)溫和的過程，Li+可以看作是插層劑，可以擴(kuò)大MXene層間距，削弱層間相互作用。具體操作步驟如下：將1 g LiF加入到20 mL的9 mol/L HCl溶液中，劇烈攪拌10 min后將Ti3AlC2緩慢加入上述混合溶液中。在35 ℃、200 r/min條件下充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)24 h后，放置于高速離心機(jī)中6500 r/min離心20 min，再置于超聲機(jī)中超聲15 min，用去離子水反復(fù)清洗，重復(fù)上述步驟直至上清液pH值為中性，這種由酸性MXene到中性MXene的清潔周期依賴性變化歸因于MXene表面端基和水羥基之間的交換相互作用。最終將收集后的產(chǎn)物放置于烘箱中在60 ℃溫度下烘干水分得到沉淀物MXene粉末。

1.3 纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠的制備

制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7% NaOH、12%尿素的混合水溶液，攪拌至溶液澄清后放到冰箱里進(jìn)行預(yù)冷凍6 h之后拿出解凍，再將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的微晶纖維素加入到解凍后的溶液里，在磁力攪拌器上繼續(xù)攪拌，直至溶液澄清得到纖維素水溶液。將無水乙醇加入到上述制備的纖維素水溶液中凝固一段時(shí)間，直至纖維素水凝膠完全漂浮在乙醇中，用去離子水將纖維素水凝膠水洗至中性，放入容器里備用。稱取制備好的MXene粉末配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%纖維素/MXene混合水凝膠溶液，最后進(jìn)行冷凍干燥得到纖維素/MXene混合氣凝膠。

1.4 測試與表征

1.4.1 形貌及元素分析表征

利用場發(fā)射掃描電鏡對復(fù)合氣凝膠進(jìn)行微觀形貌表征，以及EDS能譜分析表征樣品元素含量，工作時(shí)電壓為3 kV。

1.4.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)表征分析

利用傅里葉紅外光譜分析儀對MXene以及復(fù)合氣凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析表征，分別采用溴化鉀壓片法、ATR法對MXene和氣凝膠進(jìn)行制樣，測試其紅外吸收峰，測試范圍波長為4000～400 cm-1，每個(gè)樣品掃描3次。

1.4.3 氣凝膠孔隙率測試

用無水乙醇作為介質(zhì)，采用比重瓶法測定不同摻雜MXene質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度的纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠的孔隙率大小，孔隙率計(jì)算如式（1）所示：

P/%=（m2-m3-ms）（m1-m3）×100（1）

其中：P代表孔隙率，%；m1代表比重瓶和乙醇的總質(zhì)量，g；m2代表加入樣品后反復(fù)抽真空后比重瓶和乙醇的總質(zhì)量，g；m3代表反復(fù)抽真空后取出樣品后比重瓶和剩余乙醇的總質(zhì)量，g；ms代表氣凝膠干重，g。

1.4.4 纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠吸附染料能力測試

配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.02%、0.04%、0.06%、0.10%、0.20%、0.40%、0.60%、2.00%、4.00%、6.00%的亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)水溶液，借助紫外分光光度儀得到亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)水溶液的吸光度，線性擬合得到亞甲基藍(lán)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。

將復(fù)合纖維素氣凝膠作為吸附劑放入50 mL的亞甲基藍(lán)溶液中吸附，實(shí)驗(yàn)采用實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證溶液體積不變，測試不同時(shí)間段不同實(shí)驗(yàn)條件下的溶液質(zhì)量濃度。然后對在不同質(zhì)量吸附劑、不同時(shí)間、不同初始溫度、不同初始染料質(zhì)量濃度吸附前后的亞

甲基藍(lán)水溶液進(jìn)行測定。將測得的吸光度帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程獲得對應(yīng)亞甲基藍(lán)水溶液的質(zhì)量濃度，并根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式得出吸附量和吸附率，對其吸附性能進(jìn)行分析。吸附量與吸附率計(jì)算如式（2）、式（3）所示：

Qe=（C0-Ce）m0V（2）

A/%=（C0-Ce）C0×100（3）

式中：Qe代表吸附量，mg·g-1；V代表溶液體積，mL；m0代表吸附劑質(zhì)量，mg；

A代表吸附率，%;

C0代表染料初始質(zhì)量濃度，mg/L；Ce代表染料吸附實(shí)時(shí)質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 MXene表征分析

2.1.1 微觀形貌及元素分析

用HCl與LiF刻蝕方法制備得到MXene以及原始材料Ti3AlC2的SEM如圖2所示，EDS能譜測試表征元素含量如表1所示。從圖2 （a）和圖2 （b）可以看出MAX相呈堆疊無層狀結(jié)構(gòu)，而圖2 （c）和圖2（d）中MXene呈現(xiàn)明顯的層狀結(jié)構(gòu)，說明Al元素已經(jīng)被刻蝕掉。從表1元素含量中可以看出刻蝕后Al元素的元素含量和重量百分比都發(fā)生了明顯降低，并引入了新的F、O元素，表明MXene已經(jīng)制備成功。

2.1.2 XRD表征晶體結(jié)構(gòu)分析

Ti3AlC2和MXene的X射線粉末衍射表征分析如圖3所示。圖3表明Ti3AlC2的特征的衍射峰分別是9.8°（002）、19.2°（004）、34.0°（101）、39.0°（104）、41.8°（105）、60.2°（110）等［15］。結(jié)果可以看到基面較低的9.8°（002）特征峰發(fā)生偏移，左移至9.0°左右，表明陽極氧化后，層間距變大成功實(shí)現(xiàn)剝離。位于39°（104）附近的特征峰出現(xiàn)明顯的降低，說明Al層被刻蝕掉。在6°附近出現(xiàn)新的特征峰也表明在刻蝕過程中—OH、—F基團(tuán)的引入以及Li+的插入撐大了層間距，進(jìn)一步說明MXene已經(jīng)制備成功。

2.1.3 FTIR表征化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

Ti3AlC2和MXene的傅里葉紅外光譜分析表征如圖4所示。紅外結(jié)果表明Ti3AlC2和MXene出現(xiàn)相同較為明顯的吸收峰，分別是位于3433 cm-1處的吸收峰，由—OH伸縮振動(dòng)導(dǎo)致，2925 cm-1處特征峰由C—H彎曲振動(dòng)導(dǎo)致，1630 cm-1處的特征峰由于CO彎曲振動(dòng)導(dǎo)致。其中MXene的特征峰為571 cm-1處，是MXene區(qū)別于Ti3AlC2的紅外特征峰，對應(yīng)的是Ti—O伸縮振動(dòng)導(dǎo)致的［16］，這一結(jié)果又進(jìn)一步證明成功得到MXene。

2.2 纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠表征分析

2.2.1 復(fù)合氣凝膠微觀形貌表征

如圖5所示的是分別添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene復(fù)合氣凝膠的微觀形貌表征?？梢钥吹教砑恿薓Xene的復(fù)合氣凝膠依然保持著三維孔洞結(jié)構(gòu)，沒有破壞氣凝膠原有的結(jié)構(gòu)，甚至孔洞效果更為明顯，表明MXene的加入不僅沒有改變復(fù)合氣凝膠原本的三維結(jié)構(gòu)，有利于后期染料的吸附。

2.2.2 復(fù)合氣凝膠FTIR表征化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene的復(fù)合氣凝膠MCC/MX FTIR結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明純纖維素氣凝膠（MCC）在3274、3000 cm-1和1002 cm-1處表現(xiàn)出幾個(gè)特征峰帶，分別是由于—OH的伸縮振動(dòng)、C—H伸縮振動(dòng)、C—O鍵的伸縮振動(dòng)振動(dòng)導(dǎo)致的；較純纖維素氣凝膠相比，摻雜MXene的復(fù)合氣凝膠拉伸振動(dòng)峰從2912 cm-1偏移到3063 cm-1;在1600 cm-1處出現(xiàn)新的特征峰可能是由于MX的加入導(dǎo)致新峰出現(xiàn)，同時(shí)571 cm-1左右處特征峰為MXene的特有的Ti—O紅外特征峰，表明MXene摻雜進(jìn)氣凝膠中，已經(jīng)成功摻雜進(jìn)纖維素得到復(fù)合氣凝膠。

2.2.3 復(fù)合氣凝膠XRD表征晶體結(jié)構(gòu)分析

纖維素氣凝膠與纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠的

X射線粉末衍射表征分析如圖7所示。從圖7中可以看到添加MXene后的復(fù)合氣凝膠與純纖維素氣凝膠XRD曲線形狀基本一致，說明MXene的加入不會(huì)改變復(fù)合氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)這與SEM結(jié)果相一致。其中纖維素特征峰是位于20°、21°附近的X-衍射特征峰［17］，MXene特征峰是位于9°、60°附近的晶面衍射峰。因此可以看到復(fù)合氣凝膠中不僅含有纖維素的特征衍射峰，而且出現(xiàn)MXene的特征峰，結(jié)果與紅外結(jié)果相一致，表明MXene摻雜進(jìn)纖維素中，復(fù)合氣凝膠制備成功。

2.2.4 復(fù)合氣凝膠孔隙率分析

纖維素氣凝膠與纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠的孔隙率測試結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看到純纖維素氣凝膠孔隙率為84%，添加MXene之后復(fù)合氣凝膠的孔隙率較純纖維素氣凝膠有細(xì)微提升，孔隙率達(dá)到87%左右，這與SEM結(jié)果相吻合，摻雜MXene后不會(huì)改變氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。并且之后的染料吸附劑會(huì)選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5% MXene的復(fù)合氣凝膠作為后續(xù)染料吸附的吸附劑。由于其孔隙率較高，MXene的含量較高，可達(dá)到預(yù)期的吸附效果。

2.3 纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠對亞甲基藍(lán)的吸附作用

2.3.1 吸附劑質(zhì)量

圖9分別是質(zhì)量為100 mg MCC、30 mg MCC/MX、50 mg MCC/MX、100 mg MCC/MX吸附劑的吸附量與吸附率比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著吸附劑量的提高，吸附量在逐漸減少，吸附率在逐漸增大。吸附劑在質(zhì)量為30 mg時(shí)吸附量達(dá)到50 mg/g，但隨著吸附劑質(zhì)量從30 mg增加至100 mg，吸附量從50 mg/g減少到24 mg/g。這是由于本實(shí)驗(yàn)采用定體積法保持亞甲基藍(lán)溶液體積不變，導(dǎo)致影響吸附量的因素除了實(shí)時(shí)質(zhì)量濃度和初始質(zhì)量濃度之外還受樣品重量的影響，將不同質(zhì)量吸附劑的最大吸附量（即對應(yīng)式（2）中的C0m0V）進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量吸附劑的最大吸附量各不相同（即100 mg MCC最大吸附量為30 mg/g、30 mg MCC/MX最大吸附量為100 mg/g）。受最大吸附量的制約，出現(xiàn)吸附劑質(zhì)量越大吸附量越低的情況。但是吸附率（即對應(yīng)式（3）中的C0-CeC0）只受初始質(zhì)量濃度和實(shí)時(shí)質(zhì)量濃度的影響，因此將不同質(zhì)量吸附劑的吸附率作為對比，根據(jù)吸附率結(jié)果可以看到30 mg MCC/MX的吸附率已達(dá)到50%，而100 mg MCC/MX吸附率達(dá)到80%，吸附率結(jié)果與吸附量相對應(yīng)，通過吸附結(jié)果說明大部分亞甲基藍(lán)已經(jīng)被完全吸附。由于在上述吸附劑質(zhì)量對比中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為100 mg時(shí)吸附率最大，因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)對比中選擇質(zhì)量為100 mg的吸附劑進(jìn)行吸附效果比較。

2.3.2 吸附時(shí)間

選擇添加MXene質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠與純纖維氣凝膠作為對照，在不同時(shí)間下進(jìn)行亞甲藍(lán)溶液吸附測試，將收集到的溶液依次用紫外分光光度計(jì)測試吸光度，根據(jù)擬合方程以及吸附率公式得到吸附率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示?？梢钥吹郊兝w維素氣凝膠吸附效果很低［18］，纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠較純纖維素氣凝膠的吸附效果大大提升吸附率從30%提高到80%。這是由于表面帶有豐富官能團(tuán)以及負(fù)電荷的MXene摻雜進(jìn)纖維素氣凝膠，與帶正電荷的亞甲基藍(lán)發(fā)生靜電吸附，使得復(fù)合氣凝膠對亞甲基藍(lán)的吸附能力得到提升。

2.3.3 吸附溫度

在不同溫度下，復(fù)合氣凝膠的吸附效果如圖11所示?？傮w來看隨著溫度升高吸附率在降低，說明纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠在室溫下對亞甲基藍(lán)的降解效果最好，最高吸附率達(dá)到了80%。但從局部來看在前420 min，溫度越高吸附率的斜率越大說明溫度會(huì)提高吸附速率，且溫度越高吸附越快。但最終達(dá)到吸附平衡時(shí)隨著溫度的升高吸附率從80%降到65%。說明亞甲基藍(lán)在常溫下效果最好，并且隨著溫度的增加吸附效果變?nèi)酰砻骼w維素/MXene復(fù)合氣凝膠對亞甲基藍(lán)染料的吸附作用為放熱反應(yīng)。

2.3.4 染料初始質(zhì)量濃度

在不同初始質(zhì)量濃度下，復(fù)合氣凝膠的吸附效果如圖12所示。每一種初始質(zhì)量濃度對應(yīng)吸附劑的質(zhì)量都為100 mg，可以看出隨著染料初始質(zhì)量濃度的增加，纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠對亞甲基藍(lán)的吸附率在減少從80%降到60%，吸附量以微量的趨勢減少從20 mg/g降到18 mg/g。最終50 mg/L時(shí)染料質(zhì)量濃度的吸附效果最好。這是由于復(fù)合氣凝膠對亞甲基藍(lán)溶液的吸附位點(diǎn)達(dá)到極限，隨著染料質(zhì)量濃度的增加，吸附位點(diǎn)已經(jīng)飽和，所以出現(xiàn)吸附率和吸附量隨著染料初始質(zhì)量濃度增加而減少的情況。

2.3.5 吸附動(dòng)力學(xué)

圖13分別是復(fù)合氣凝膠吸附亞甲基藍(lán)的準(zhǔn)一階和準(zhǔn)二階動(dòng)力學(xué)模型擬合分析［19］。從圖13中可以看出，一階擬合效果不能很好地預(yù)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而二階擬合效果幾乎可以與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，具體擬合參數(shù)數(shù)據(jù)見表2。從表2中可以看到一階線性擬合相關(guān)系數(shù)值R21很低，理論值與實(shí)驗(yàn)值也相差很大，而二階相關(guān)系數(shù)R22高達(dá)0.99，理論值與實(shí)驗(yàn)值非常接近這說明準(zhǔn)二階動(dòng)力學(xué)模型可以更好地描述復(fù)合氣凝膠吸附亞甲基藍(lán)的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。通過動(dòng)力學(xué)模型分析可以得出復(fù)合氣凝膠吸附亞甲基藍(lán)是以化學(xué)吸附為主，物理吸附為輔，這與MXene的摻雜有關(guān)，由于MXene表面豐富的羥基以及含氟基團(tuán)與帶正電荷的亞甲基藍(lán)發(fā)生靜電作用，使得復(fù)合氣凝膠對亞甲基藍(lán)的主要吸附作用為化學(xué)吸附［20］。

3 結(jié) 論

本文采用將微晶纖維素與自制的MXene通過共混方法制備了一種用于亞甲基藍(lán)陽離子染料的吸附劑。對所制備的復(fù)合氣凝膠進(jìn)行了形貌結(jié)構(gòu)、孔隙率以及化學(xué)組成等表征測試，探究了復(fù)合氣凝膠對亞甲基藍(lán)染料的吸附作用，并對比了在不同質(zhì)量吸附劑、不同吸附條件下的吸附效果，結(jié)論如下：

a）與純纖維素氣凝膠相比，纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠微觀形貌保持原有的三維微孔結(jié)構(gòu)，通過孔隙率分析得出隨著MXene含量的增加復(fù)合氣凝膠孔隙率有所提高并在添加量為1.5%時(shí)的孔隙率最高達(dá)到87%，吸附率增加到80%。

b）當(dāng)吸附劑質(zhì)量為100 mg時(shí)，吸附效果最佳與純纖維素氣凝膠相比增加到80%；當(dāng)染料初始質(zhì)量濃度為50 mg/L、吸附環(huán)境溫度為20 ℃吸附效果最好，通過準(zhǔn)一階動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二階動(dòng)力學(xué)模型擬合對比，得知復(fù)合氣凝膠對亞甲基藍(lán)的吸附作用主要為化學(xué)吸附，由此得出著這種新型制備得到的纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠是一種良好的亞甲基藍(lán)陽離子染料的吸附劑。

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Preparation ofthe cellulose/MXene composite aerogel and its adsorption mechanism for methylene blue

ZHOU Huimin， DING Xinbo， LIU Tao， QIU Qiaohua

（College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：

At present， the discharge of wastewater from the traditional textile industry is increasing， and the discharge of dye wastewater accounts for about 35% of the total industrial wastewater， which seriously affects human health and ecological environment. Therefore， it is of great significance for environmental protection to develop efficient and convenient methods to remove organic dyes from water. As a kind of sustainable renewable energy， cellulose in biological matrix materials can not only reduce environmental pollution， but also has been widely used in the treatment of printing and dyeing wastewater due to its excellent physical and chemical properties. However， the inherent adsorption capacity of pure cellulose is quite low. In order to promote the adsorption effect of cellulose materials on dyes， fixing MXene on the 3D frame of cellulose aerogels not only helps to dope nano materials， but also can enhance the adsorption capacity of cellulose aerogels. As a new two-dimensional nanomaterial， MXene has a unique layered structure and terminal hydroxyl （—OH）， oxygen （—O）， fluorine （—F） and other functional groups， which makes it have good hydrophilicity and rich active sites. According to the needs of printing and dyeing wastewater treatment， MXene has been widely used in dopants of various substrates， showing the promising application prospect of MXene in the treatment of environmental dye wastewater.

Therefore， in order to obtain better dye adsorption results， thecomposite aerogel prepared by freeze-drying MXene doped into the traditional pure cellulose framework has the advantages of high porosity and high adsorption rate. The preparation of MXene and the comparison of adsorption effects of the composite aerogel and the pure gas gel on methylene blue dye were studied. The micro morphology and chemical structure of MXene as well as the adsorption performance of the composite aerogel were characterized by analysis and testing. The results showed that MXene materials had been successfully prepared， and the adsorption effect of the MXene-doped composite aerogel was 60% higher than that of the pure cellulose aerogel gel. Then， the adsorption effects of methylene blue on different mass adsorbents， initial concentrations of the methylene blue solution and ambient temperatures were compared. The study showed that when the mass of the adsorbent was 100 mg， the initial concentration was 50 mg/L， and the ambient temperature was 20 ℃， the composite aerogel had the best adsorption effect on the methylene blue solution， with a removal rate of 80%， making most of the methylene blue adsorbed.

In this paper， the adsorption potential of MXene was fully developed， and the composite materials were prepared by blending and doping， which effectively absorbed a certain volume and concentration of the dye solution. The research findings of composite or modification of new nanomaterials on traditional biological substrates will provide inspiration and suggestions for the treatment of printing and dyeing wastewater.

Keywords：

MXene; MCC; composite aerogel; methylene blue; dye adsorption