阳离子纤维素基吸附材料的制备与吸附性研究

张　森，靳小军，向子祺 ，秦　峰，梁　倩 ，刘梦琪 ，刘建立

（1.江南大学 纺织服装学院，江苏无锡　214122；2.常熟市永得利水刺无纺布有限公司，江苏常熟　215500）

随着经济的迅速发展，水污染成为最严重的问题之一，主要污染物包括重金属离子、染料等，常用方法为采用活性炭和离子交换树脂处理，但这些试剂价格昂贵，再生困难[1]。改性纤维素类水处理材料逐渐成为研究热点[2-8]。另外，在洗衣时，尤其是深色衣物，易褪色的染料会沾染其他衣物，造成洗衣串染，而分开洗涤会造成时间和水资源的浪费。目前各类衣物所使用的易褪色的染料主要为阴离子型。

为此，本文以纤维素纤维为基材，2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（EPTAC）为醚化剂，制备了阳离子纤维素基吸附材料，并通过改进协同活化体系使得吸附性能进一步提高。

1　实验部分

1.1　实验材料、药品及仪器

材料：纤维素纤维非织造布（常熟市永得利水刺无纺布有限公司）

药品：2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（EPTAC）95%；氢氧化钠（分析纯）、氢氧化锂（分析纯）、尿素（分析纯）；直接红染料、活性红染料、靛蓝染料。

仪器：HH4型数显恒温水浴锅（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）；GZ120.S型数显悬臂式恒速强力电动搅拌机（江阴市保利科研器械有限公司）；T6新世纪型紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；GZX-9146MBE型电热鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）；JA5003型高精密电子秤（上海浦春计量仪器有限公司）；BIO-DL型移液器（上海苏阳仪器有限公司）；EL4001型电子天平（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）。

1.2　阳离子纤维素基吸附材料的制备

1.2.1制备方法

将500g蒸馏水放入烧杯并升温至目标温度；加入一定量碱（氢氧化钠或氢氧化锂）和尿素并搅拌均匀；加入10g纤维素纤维并搅拌，转速200r/m in；半小时后，加入一定量的EPTAC；保温一定时间后，取出纤维素纤维并清洗、烘干待测。

1.2.2制备工艺优化

以氢氧化钠用量、尿素用量、EPTAC和纤维素纤维的质量比m(EPTAC): m(纤维素)、反应时间、反应温度为5因素4水平进行正交实验（见表1）。

表1　制备工艺优化水平因素表

1.3　不同协同活化体系对吸附性能的影响研究

分别以氢氧化钠/尿素和等摩尔的氢氧化锂/尿素为协同活化体系，采用1.2.2确定的最佳工艺制备阳离子纤维素基吸附材料。以染料种类、染料浓度、吸附时间、吸附温度为4因素3水平进行正交试验，比较两种协同活化体系的吸附性能，正交试验因素水平表如表2所示。

表2　吸附效果水平因素表

1.4　测试方法

1.4.1吸附性能的测试方法

配制一定浓度的的一种染料的水溶液500m L并加热至一定温度，取阳离子纤维素基吸附材料5g放入烧杯中并搅拌一定时间，取出吸附材料并检测残液吸光度。

1.4.2染料浓度测定

采用T6新世纪型紫外可见分光光度计测定染料浓度和吸光度的关系，如公式（1）～（3）所示

靛蓝染料 ：C=(A+0.1619)/0.0095（1）

直接红染料 ：C=(A+0.0074)/0.0262（2）

活性红染料 ：C=(A+0.0016)/0.0106（3）

式中：C为染料浓度（mg/L），A为吸光度。

1.4.3吸附量测定[11]

吸附量为每克吸附材料吸附的染料质量，如公式（4）所示：

式中，Q为吸附量（mg/g），C0表示溶液初始浓度（mg/L），CE表示吸附后溶液的平衡浓度（mg/L），V为溶液体积（L），m为吸附材料的质量。

2　结果与讨论

2.1　阳离子纤维素基吸附材料的最佳制备工艺确定

纤维素纤维为基材，ETPAC为醚化剂，以氢氧化钠浓度、尿素浓度、EPTAC/纤维素、反应时间和反应温度为5因素4水平进行正交试验如表1所示，正交试验结果见表3。

表3　制备工艺优化结果与分析

续表3

从表3可以看出，对阳离子纤维素基吸附材料的吸附量影响的显著性顺序为C>B>A>D>E。阳离子纤维素系吸附材料的最佳制备工艺为A4B2C4D4E3，即氢氧化钠用量为6%，尿素用量为2%，m(EPTAC)∶m(纤维素)=5∶5，反应时间100 m in，反应温度70 ℃。

这是因为，随着氢氧化钠浓度的提高，阳离子纤维素基吸附材料的吸附性能逐渐增加，而增加的幅度在慢慢减缓。这是由于在氢氧化钠浓度相对较低时，随着氢氧化钠浓度的增加，纤维素与氢氧化钠生成的碱纤维素增多，而氢氧化钠浓度增加到一定程度之后，由于纤维素大分子内存在结晶区不容易与氢氧化钠反应生成碱纤维素，随着氢氧化钠浓度的升高阳离子纤维素基吸附材料的吸附性能增加的幅度减缓，所以氢氧化钠浓度为6%时为最优方案[9]。氢氧化钠/尿素溶液体系是一种廉价、无污染的新型纤维素溶剂，纤维素醚化需要强碱进行活化，而氢氧化钠/尿素是非常合适的均相醚化反应介质[10]。实验结果分析可得尿素浓度在2%时为最优方案。随着EPTAC的质量增大，阳离子纤维素醚的吸附效果增强，这是因为EPTAC的含量越多，碱纤维素的醚化程度越高，纤维素大分子上的阳离子基团越多，进而吸附效果也就越明显。由于EPTAC的造价较高，所以综合考虑采用5∶5的m(EPTAC)∶m(纤维素)。反应时间为100 m in和反应温度为70℃时效果最好。

2.2　不同协同活化体系对吸附性能的影响

分别以氢氧化钠/尿素和氢氧化锂/尿素为协同活化体系，依据最佳制备工艺制备的阳离子纤维素基吸附材料，以染料种类、染料浓度、吸附时间和吸附温度为4因素3水平进行正交试验，比较两种协同活化体系的吸附性能如表4和表5所示。

表4　氢氧化钠/尿素体系吸附材料的吸附效果表

续表4

表5　氢氧化锂/尿素体系吸附材料的吸附效果表

从表4和表5可以看出，采用氢氧化锂/尿素协同活化体系制备的阳离子纤维素基吸附材料对直接红染料、活性红染料和靛蓝染料的吸附效果优于氢氧化钠/尿素的协同活化体系。这是因为相同摩尔数的氢氧化锂对纤维素的活化效果比氢氧化钠强。从离子角度和碱性强弱分析，锂离子的原子小，并且氢氧化锂的碱性更强，更容易使纤维素活化生成碱纤维素。

3　结论

a）阳离子纤维素基吸附材料的最佳制备工艺为：氢氧化钠用量为6%，尿素用量为2%，m(EPTAC):m(纤维素)=5:5，反应时间100min，反应温度70℃。

b）采用氢氧化锂/尿素协同活化体系制备的阳离子纤维素基吸附材料的吸附效果优于氢氧化钠/尿素。

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