基于合成纤维与植物纤维的改性及吸附性能研究

汤其明，蒋雪风，朱 玮，张春晓

（浙江海利环保科技股份有限公司，浙江嘉兴 314305）

1 对位芳纶纤维改性

对位芳纶纤维有着高对称性和高模量的化学结构，这也是其优越热力学性能的重要表现，不过也在一定程度上对材料的应用范围产生了限制。为了对其应用范围进行拓展，将材料的性能更好地发挥出来，芳纶复合材料成了研究人员的首选。考虑到材料本身的洁净度较高，在对复合材料进行制备的过程中，基体难以与增强体实现可靠黏合，需要对其进行改性。

1.1 表面接枝改性

依照增强基和芳纶的反应位置，可以将其分为苯环上的接枝反应和基于酰胺键的接枝反应。例如，金属化改性芳纶技术主要是利用NaH和二甲基亚砜DMSO反应，得到甲基亚硫基卡宾钠，将其与芳纶分子链上的仲氮氢反应后，芳纶会在DMSO溶液溶解。

1.2 表面涂层改性

表面涂层改性是借助物理或者化学反应，对芳纶纤维材料表面的组织结构进行改变，在保障其固有性质的同时，使得材料能够具备新的表面性能，以满足不同环境和技术条件下的不同要求。Mai等使用SVF-200和Estapol-7008来对Kevlar进行涂覆，将涂覆后的纤维作为增强体，与环氧树脂基体材料进行反应，得到了相应的负荷材料。实践结果显示，两种材料都可以提升芳纶复合材料的韧性。

1.3 超声浸渍改性

超声浸渍改性主要是借助超声波来提升基体和增强体的分散性，对树脂和纤维的表面结合能力进行改善，从而实现复合材料力学性能的提高。有研究表明，超声技术的应用，能够提升芳纶复合材料ILSS13%左右。

2 芳纶基复合材料吸附性能

通过对废弃芳纶材料进行接枝改性等方式，制备出全新的具备良好吸附性的材料，可以对贵金属离子进行富集和分离，在实现废弃料回收利用的同时，也能够对重金属和贵金属引发的环境污染问题进行有效防范，形成绿色环保的循环体系。

2.1 复合材料制备

2.1.1 PPTA-CPTS制备

选择250mL三口瓶，使用氮气进行吹扫，确保瓶内完全干燥且不存在其他杂质气体，加入1.2g NaH以及150mL DMSO溶液（提前48h加入氯化钙，放置在干燥器内干燥），于70℃的温度下，保温1h，然后借助冷水循环的方式冷却至室温。准确称量2.0g对位芳纶，加入瓶内并且使用搅拌设备连续搅拌48h，再加入4.04mL CPTS（3-氯丙基三乙氧基硅烷），继续搅拌16h，最终得到呈现为紫红色的浑浊液体，将液体使用纱布过滤到烧杯中，滴加4%氟化铵溶液，保持搅拌状态，直到液体呈现为凝胶状后，转移到聚丙烯塑料瓶内，于50℃恒温下，静置5d。将得到的产物水洗、抽滤、干燥以及抽提后，最终得到PPTA-CPTS。

2.1.2 PPTA-CP-AT制备

将经过活化处理后的PPTA-CPTS准确称取5.0g，与10mL ATMP溶液共同放入到烧杯中，使用玻璃棒充分搅拌，确保充分混合，然后放置在60℃的恒温箱内保温1d，再于120℃的条件下，干燥反应4h，自然冷却后加入相应的去离子水实施浸泡和抽滤，并将得到的产物放置在45℃恒温箱内，长时间干燥后，就能够得到PPTA-CP-AT。

2.1.3 PPTA-CP-L制备

将经过活化处理后的PPTA-CPTS准确称取4.0g，与2.0g L-脯氨酸共同放入25mL两口烧杯，搅拌均匀，设置温度条件-10℃，通过滴加的方式，加入7.1mL二氯亚砜，等待2h，逐渐将温度升高到25℃，保持温度不变，反应12h。次日使用旋转蒸发仪，设置温度条件60℃，蒸发1h，再进行洗涤、抽滤和干燥，得到PPTA-CP-L。

2.2 吸附性能测定

称取PPTA-CP-AT或者PPTA-CP-L 80mg，平均分为8份，放入锥形瓶内，加入20mL浓度吸附质溶液，设置温度条件25℃，振荡24h后，将瓶内溶液依照比例稀释，并对其浓度变化进行测量，依照相应的公式计算吸附性能：

式中，q表示吸附量，mg/g；C0和Ce分别表示吸附前原液以及吸附后溶液中的离子浓度，mg/L；V表示移取的溶液体积，L；W表示吸附剂的质量，g。

2.3 吸附性能

2.3.1 最佳吸附离子

称取PPTA-CP-AT或者PPTA-CP-L 80mg，平均分为8份，放入锥形瓶内，加入20mL浓度为2.0mmol/L的金属离子溶液（Cu（Ⅱ）、Au（Ⅲ）、Zn（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）等）。将该吸附体系放置在25℃的恒温环境下，连续振荡24h，然后按比例稀释后，测量浓度变化情况，对其吸附量进行计算。结合计算结果分析，PPTA-CP-AT对于Au（Ⅲ）有着较为显著的吸附能力，吸附量能够达到110mg/g，然后依次是Hg（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）和Zn（Ⅱ），吸附量也都超过了50mg/g；PPTA-CP-L对于Au（Ⅲ）的吸附量达到了460mg/g，对Hg（Ⅱ）的吸附量超过100mg/g，对其他金属离子的吸附性较差。基于此，选择的最佳吸附离子为Au（Ⅲ）。

2.3.2 对Au（Ⅲ）的吸附动力学

PPTA-CP-AT和PPTA-CP-L对于Au（Ⅲ）的吸附在一开始的50min内，吸附速率呈现出不断增长的态势，吸附量与时间、温度成正比。对PPTA-CP-AT和PPTA-CP-L吸附Au（Ⅲ）进行相应的动力学计算，结合相关标准，将Bt值与不同温度下对应的点进行拟合，得到的直线不经过零点，表明两种材料对于Au（Ⅲ）的吸附属于液膜扩散。为了能够对PPTA-CP-AT和PPTA-CP-L在不同温度环境下，吸附的Au（Ⅲ）质量会随着温度的增高而不断增大的现象进行解释，针对两种材料在不同温度条件下吸附Au（Ⅲ）的动力学数据进行计算，依照计算结果分析，两种复合材料在不同温度下，对于Au（Ⅲ）的吸附属于吸热、体系混乱程度增加的过程。

2.3.3 对Au（Ⅲ）的吸附热力学

在pH为4.0的情况下，将温度设定为15℃、25℃和35℃，对PPTA-CP-AT和PPTA-CP-L对于Au（Ⅲ）的吸附等温曲线进行绘制，可以明确，同等条件下，温度越高，两种材料对于Au（Ⅲ）的吸附量越大；温度固定伴随着初始溶液浓度的增加，两种材料对于Au（Ⅲ）的吸附量也会逐渐增大。

2.3.4 洗脱再生

结合相关研究分析，硫羰基对Au（Ⅲ）有着良好的络合能力，能够有效洗脱Au（Ⅲ）。基于此，可以选择硫脲作为洗脱剂，对上述复合材料的复用能力和分离富集能力进行研究。取饱和吸附的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的盐酸混合溶液进行洗脱，控制温度为25℃，连续振荡24h，结合实验结果分析，在5%的浓度下，硫脲具备最佳洗脱效果，因此，在研究材料再生性能的过程中，应该选择该溶液进行相应的实验。在针对吸附剂再生性能进行研究的过程中，应该定量称取完成吸附后的吸附剂，使用5%硫脲酸溶液开展重复实验，结果显示，在经过3次重复实验后，吸附剂依然可以保持较高的吸附能力和解析能力，这也表明两种材料都可以实现循环利用，在工业废水处理、重金属离子富集等方面，有着一定的实用价值，应该得到重视和推广。

3 植物纤维改性及吸附性能

选择杜仲作为原料，利用盐酸以氢氧化钠溶液进行相应的表面处理，然后在表面接枝L-脯氨酸，研究材料的吸附性能。

3.1 改性处理

将清洗干净的杜仲在水中浸泡4h然后粉碎，使用100目筛子过筛，然后准确称取5.0g粉末，加入乙醇-乙酸混合溶液中，于室温条件下，连续搅拌2h，进行抽滤洗涤，得到的产物再次浸泡于100mL 4%氢氧化钠溶液2h，之后将溶液的pH调整为中性，再次进行抽滤洗涤。获得的产物加入70mL 7%乙酸溶液中，设置反应温度75℃，连续搅拌1h后，进行抽滤、洗涤和干燥。

选择25mL两口烧瓶，加入8.0g L-脯氨酸以及4.0g经过表面活化处理后的DZ，搅拌后，设置反应温度-10℃，滴加7.1mL二氯亚砜，保持2h后，逐步提高温度到25℃，保持恒温反应12h。次日放入到旋转蒸发仪中，于60℃的温度下，蒸发1h，对产物进行洗涤、抽滤和干燥处理，可以得到DZ-L改性材料。

3.2 吸附性能

3.2.1 最佳吸附离子

结合相应的吸附性能测试，DZ-L对于Au（Ⅲ）的吸附量最佳，达到了462.82mg/g，对Hg（Ⅱ）的吸附量次之，为158.04mg/g，可以看出，DZ-L对于Au（Ⅲ）有着比较突出的吸附能力。

3.2.2 对Au（Ⅲ）的吸附动力学

吸附量与时间、温度呈正比，换言之，当时间延长、温度升高时，吸附量也会随之增大，达到吸附平衡需要的时间在12h左右。依照相关公式，对DZ-L吸附Au（Ⅲ）的动力学数据进行拟合，可以明确，当Bt-t拟合直线在t位置为0时，与y轴相交，不穿过原点，这也表明DZ-L对于Au（Ⅲ）的吸附过程属于膜扩散。

3.2.3 对Au（Ⅲ）的吸附热力学

在pH为4.0的情况下，将温度设定为15℃、25℃和35℃，对DZ-L对于Au（Ⅲ）的吸附等温曲线进行绘制，可以明确，同等条件下，温度越高，DZ-L对于Au（Ⅲ）的吸附量越大；温度固定时，初始溶液溶度增加时，DZ-L对于Au（Ⅲ）的吸附量也会随之增大，而且在15～25℃的增加幅度显著高于25～35℃的幅度。

3.2.4 洗脱再生

结合相关文献可知，硫羰基对Au（Ⅲ）有着良好的络合能力，能够有效洗脱Au（Ⅲ）。基于此，可以选择硫脲作为洗脱剂，对DZ-L的复用能力和分离富集能力进行研究。设置反应温度为25℃，连续振荡24h，对照结果可知，在经过3次重复实验后，DZ-L对Au（Ⅲ）的吸附能力虽然有所下降，但是依然保持在相对较高的水平，这也表明DZ-L能够实现循环利用，在工业废水处理、重金属离子富集等方面，有着一定的实用价值。

4 结语

总而言之，以合成纤维以及植物纤维作为基体，经过改性的方式，制备出了具备较高吸附性能的材料，三种材料的吸附能力从强到弱依次是DZ-L、PPTA-CP-L、PPTA-CP-AT，而且三种材料都具备较高的循环利用价值，能够很好地适应绿色发展以及可持续发展的现实需求，技术人员在对材料进行选择和使用的过程中，需要充分考虑实际需求，明确材料的性能，将材料的作用和价值最大限度地发挥出来。