改性纖維素類(lèi)吸附劑應(yīng)用（一）

[db:作者] / 2023-01-05 00:00

[應(yīng)用]纖維素經(jīng)過(guò)不同方法的化學(xué)改性得到了許多具有不同功能的吸附劑，目前這些吸附劑已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、生物化工、環(huán)境保護(hù)等各方面。改性后的纖維素在臨床醫(yī)學(xué)中可以利用它在不同的基體中分離得到各種所需的酶，還可以通過(guò)它的選擇吸附作用進(jìn)行血液分析。在生物化工上可以將改性后的纖維素用于染料等化學(xué)物質(zhì)的吸附，溶液中離子檢測(cè)、化學(xué)物質(zhì)的分離提純等。在廢水處理領(lǐng)域，改性纖維素類(lèi)吸附劑主要用于去除水體中的Cu2+、Mn2+、Co2+、Fe3+、Pb2+、Hg2+、Cd2+等重金屬離子以及有機(jī)物質(zhì)、農(nóng)藥等，并均取得很好的處理效果，而且容易脫附再生。

Nada等用琥珀酸酐和氯乙酸對(duì)甘蔗渣進(jìn)行了化學(xué)改性，制得含有羧基的離子吸附劑，通過(guò)NaOH滴定測(cè)得所引入的羧基分別為1.99mmol/g和0.33mmol/g，其對(duì)Cu2+、Ni2+、Cr3+、Fe3+等有較好的吸收；Nada等還用三氯氧磷處理甘蔗渣、木材、玉米秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，制備了含有較高吸附能力的磷酸基團(tuán)的陽(yáng)離子吸附劑，可以較好地吸附Cd2+、Pb2+、Cu2+、Co2+、Cr3+、Ni2+等離子。

張玉霞等通過(guò)對(duì)芝麻稈纖維素醚化后與季銨鹽反應(yīng)制備了改性纖維素，并用于苯胺的吸附，發(fā)現(xiàn)苯胺的去除率可達(dá)93.2%。王少敏等用仲胺型硝化纖維素吸附腎毒性物質(zhì)肌酐，在肌酐質(zhì)量濃度為60mg/L、溫度為37℃、透析液pH=7的條件下，0.5gACN對(duì)肌酐的吸附平衡時(shí)間為2h，平衡吸附率為68%，吸附主要靠非氫鍵的化學(xué)作用。代瑞華等研究發(fā)現(xiàn)，球形醋酸纖維素吸附劑對(duì)水中狄氏劑、艾氏劑、異狄氏劑、七氯4種有機(jī)氣農(nóng)藥有較強(qiáng)的吸附能力，12h后去除率均達(dá)到85%以上，并且對(duì)正辛醇水分配系數(shù)較大的有機(jī)物具有更快的吸附速度，對(duì)七氯、艾氏劑的去除率在0.5h后可達(dá)99%，說(shuō)明該吸附劑對(duì)水中親脂性的有機(jī)物具有較高的吸附效能。

筆者和課題組成員以自制含不同基團(tuán)的球形纖維素吸附劑處理Cu2+、Co3+、Cr3+、Nd3+、Cr6+、Ni2+等重金屬離子和表面活性劑(SDBS)、氨基酸等，均取得了較好的吸附效果。

用含有咪唑啉基和羧基的球形纖維素螯合吸附劑吸附表面活性劑，得到以下結(jié)論。①影響吸附劑對(duì)SDBS吸附效果的因素主要有SDBS初始質(zhì)量濃度、吸附液的pH值、吸附時(shí)間及吸附溫度等；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在pH=4時(shí)，球形纖維素螯合吸附劑對(duì)初始質(zhì)量濃度為50mg/L的SDBS溶液的吸附容量為18.10mg/g，去除率達(dá)90.3%；吸附時(shí)間的延長(zhǎng)有利于提高吸附劑的吸附效果，但當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到60min后，繼續(xù)延長(zhǎng)吸附時(shí)間，對(duì)SDBS的去除率無(wú)太大影響。②對(duì)SDBS溶液的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)表明，吸附過(guò)程符合Langmuir等溫模式，吸附呈單分子層形式。③動(dòng)力學(xué)研究表明，吸附過(guò)程主要由表面擴(kuò)散控制，吸附速度常數(shù)隨著溫度的升高而下降；④熱力學(xué)研究表明，隨著溫度的升高，特征值b、Q0均變小，這說(shuō)明溫度升高不利于吸附過(guò)程的進(jìn)行，球形吸附劑對(duì)SDBS的吸附能力減弱；同時(shí)，△H為-11.721kJ/mol(<0)說(shuō)明該吸附過(guò)程發(fā)生放熱反應(yīng)，以化學(xué)吸附為主；吸附質(zhì)在4個(gè)溫度條件下的自由能OG均為負(fù)值，說(shuō)明吸附過(guò)程是自發(fā)進(jìn)行的。

以羧酸型球形纖維素吸附劑對(duì)堿性氨基酸(L-賴氨酸、L-精氨酸和L-組氨酸)進(jìn)行吸附，得到以下結(jié)論。①靜態(tài)等溫吸附符合Langmuir吸附等溫式。②吸附劑對(duì)堿性氨基酸的吸附效果與吸附質(zhì)溶液的pH值、吸附質(zhì)的初始濃度、吸附時(shí)間及吸附溫度相關(guān)；球形纖維素吸附劑對(duì)各堿性氨基酸的吸附均有一最適pH值，提高吸附質(zhì)的初始濃度，延長(zhǎng)吸附時(shí)間，降低吸附溫度均可提高吸附效果。③纖維素吸附劑對(duì)氨基酸的靜態(tài)吸附和動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)表明，纖維素吸附劑對(duì)堿性氨基酸具有很好的吸附效果，在實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)L-賴氨酸、L-精氨酸和L-組氨酸的靜態(tài)吸附量分別達(dá)到95.8mg/g、106.1mg/g和110.6mg/g，動(dòng)態(tài)吸附量分別達(dá)到70.3mg/g、73.6mg/g和80.0mg/g，并具有很好的解吸再生能力。④吸附熱力學(xué)和吸附動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果表明：纖維素吸附劑對(duì)堿性氨基酸的吸附以化學(xué)吸附為主；纖維素吸附劑對(duì)三種堿性氨基酸吸附速率大小順序?yàn)椋篖-組氨酸>L-精氨酸>L-賴氨酸。⑤研究了混合堿性氨基酸在球形纖維素吸附劑上的競(jìng)爭(zhēng)吸附行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在三種堿性氨基酸的混合溶液中，球形纖維素將優(yōu)先選擇吸附L-組氨酸。⑥與732型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂比較，在吸附速率上，球形纖維素吸附劑比732型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

喬莎等基于ATRP法制備纖維素吸附劑，首先，以氯乙酰氯為酯化劑，在離子液體BMIMCI中與纖維素發(fā)生均相乙酰化反應(yīng)，得到了ATRP大分子引發(fā)劑(Cell-CIAc)，隨后以Cell-CIAc為ATRP引發(fā)劑，以甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)為單體，CuBr/bpy為催化劑，進(jìn)行GMA的ATRP，制備出結(jié)構(gòu)可控、分子量分布窄的纖維素接枝共聚物Cell-g-PGMA，并對(duì)ATRP反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，該反應(yīng)過(guò)程符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，證明該ATRP聚合反應(yīng)是“活性”/可控的；同時(shí)，用透射電鏡觀察到合成的Cell-g-PGMA在丙酮溶液中具備自組裝行為；ATRP聚合反應(yīng)溫度以及反應(yīng)體系中的單體濃度是Cell-gPGMA分子量及分子量分布的影響因素。

其次，以Cell-g-PGMA為基體，用乙二胺對(duì)其進(jìn)行開(kāi)環(huán)改性，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)研究了吸附劑制備過(guò)程各因素的影響。研究結(jié)果得出，在乙二胺用量為20mL，制備溫度為80℃，制備時(shí)間為1h，得到的吸附劑NPGMA的含氮量為10.16%。

再次，實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)吸附方法研究了NPGMA對(duì)六價(jià)鉻溶液的吸附性能，包括溶液pH值、初始濃度、吸附時(shí)間以及吸附溫度等影響因素；同時(shí)對(duì)吸附過(guò)程進(jìn)行了吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的研究，并對(duì)吸附機(jī)理進(jìn)行了探討。吸附實(shí)驗(yàn)顯示，NPGMA對(duì)Cr(VI)吸附性能優(yōu)異，其吸附容量和去除率分別達(dá)到99.60mg/g和99.60%。NPGMA的靜態(tài)等溫吸附符合Langmuir和Freundlich吸附等溫式，表明NPGMA對(duì)Cr(VI)的吸附以化學(xué)吸附為主；表面擴(kuò)散和顆粒內(nèi)擴(kuò)散共同控制整個(gè)吸附過(guò)程，但以顆粒內(nèi)擴(kuò)散為主。最后，對(duì)NPGMA的再生性能進(jìn)行研究。用濃度為2mol/L的NaOH溶液對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單再生后，就可恢復(fù)使用，重復(fù)次數(shù)達(dá)3次后，吸附容量仍較高；解吸后的NPGMA經(jīng)紅外光譜分析后顯示其仍然具有氨基官能團(tuán)，而從環(huán)境掃描電鏡圖中可以看出，其表面光滑，仍有大量的孔隙存在，表明解吸后的NPGMA與原NPGMA結(jié)構(gòu)變化不明顯，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

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