廢革膠原纖維對重金屬(Cu2+)吸附性能的研究*

沈 戈 何南霏 馮 凱 殷保璞

(東華大學紡織學院，上海，201620)

廢革膠原纖維對重金屬(Cu2+)吸附性能的研究*

沈 戈 何南霏 馮 凱 殷保璞

(東華大學紡織學院，上海，201620)

將制革過程中產生的大量皮革邊角料疏解成膠原蛋白纖維進行再利用，該纖維作為一種新型吸附劑，可去除Cu2+等重金屬離子。研究了吸附過程中溫度、時間、pH值、吸附材料量等參數對吸附效果的影響。

廢革膠原纖維，銅離子，吸附

我國是制革大國，每年在皮革生產過程中產生的皮革邊角料數量驚人。大量的皮革邊角料如果不能得到有效的回收和利用，既污染環境，又造成資源的巨大浪費［1］。皮革邊角料的主要成分是膠原蛋白，是豐富的蛋白纖維資源，因此皮革邊角料中膠原蛋白的收集利用是一個重要的研究方向。

在制革過程中，膠原蛋白原有的結構被部分裂解，形成了更多活性基，這些活性基團能與金屬離子發生配位結合［2］，即廢革膠原纖維通過化學鍵可與廢水中的重金屬離子相結合［3］，從而起到吸附作用。

從皮革邊角料中通過物理方法疏解而成的廢革膠原纖維通過氣流成網、水刺纏結或熱熔黏合等工藝制成非織造材料，可以應用于環保領域。本文探索了廢革膠原纖維對重金屬Cu2+的吸附效果和機理，討論了吸附過程中溫度、時間、pH值、吸附材料量等參數對吸附結果的影響。

1 廢革膠原纖維的結構和性能

為了更好地研究廢革膠原纖維對重金屬的吸附情況以及便于后續的實驗研究，對從來自制革工廠的經機械疏解的皮革邊角料制得的廢革膠原纖維進行了結構和物化性能的實驗分析。由于疏解得到的廢革膠原纖維的表觀性狀離散性很大，故必須采用統計方法獲取其分布值。

實驗數據顯示:廢革膠原纖維的線密度分布在8.82 ×10－3～0.12 dtex 之間，其平均值為0.07 dtex，CV值為71.99%;長度主要集中在20～40 mm，最大可以達到60 mm，最小只有幾毫米，平均值為30.82 mm，CV值為 37.03%，屬于中等長度纖維;表面有原纖化細纖包纏，截面形狀不規則，且由于線密度的離散性，橫截面大小也有差別;斷裂強力很低，主要集中在30～60 cN之間，斷裂伸長率相對較大;回潮率達到7.1%，具有良好的吸濕性能;根據紅外光譜分析，廢革膠原纖維在110℃時，其蛋白質會被破壞。

該廢革膠原纖維由于其良好的親水性，通過非織造水刺加工技術，能制成手感柔軟、相對彈性較好、酷似真皮的人造革和合成革基布［4］。水刺非織造材料的三維網絡狀結構對于廢水中顆粒物、雜質等有害物質的過濾也有很好的效果。

2 重金屬(Cu2+)吸附實驗［5］

2.1 原料和試劑

五水硫酸銅(CuSO4·5H2O)，藍色晶體，分析純，500 g;

廢革膠原纖維，由制革工廠的皮革邊角料經機械疏解獲得。

2.2 實驗方法

準確稱取2.5 g的CuSO4·5H2O放入裝有蒸餾水的燒杯中，溶解;然后轉移至1 000 mL的容量瓶中，加蒸餾水至刻度，得到10 mmol/L濃度的CuSO4溶液。

使用稀鹽酸或氨水調節溶液的pH值，用pH計測量;實驗溫度用水浴鍋控制;利用分光光度計(WF J2100型)在波長540 nm下測量溶液濃度［6］，材料對Cu2+的吸附效果按下式計算:

式中:Q——Cu2+的吸附量(mmol/g);

C0——初始溶液濃度(mmol/L);

X0——吸附前溶液Cu2+的吸光度;

X1——吸附后溶液Cu2+的吸光度;

V——CuSO4溶液體積(L);

M——廢革膠原纖維質量(g)。

研究在不同溫度、時間、pH值以及吸附材料量等參數條件下，廢革膠原纖維對Cu2+吸附性能的變化。

2.2.1 溫度影響實驗

取4個800 mL燒杯，量取250 mL已配制好的10 mmol/L的CuSO4溶液置于燒杯中，分別稱取2.5 g廢革膠原纖維，充分浸入各燒杯的溶液中，用稀鹽酸或氨水調節pH值為5左右，各燒杯的實驗溫度依次為20、30、40和50℃，30 min后測量溶液中的Cu2+濃度，記錄數據。

2.2.2 時間影響實驗

取1個800 mL燒杯，量取250 mL已配制好的10 mmol/L的CuSO4溶液置于燒杯中，稱取2.5 g廢革膠原纖維充分浸入燒杯的溶液中，用稀鹽酸或氨水調節pH值為5左右，控制溫度在30℃。每隔10 min測量一次溶液Cu2+濃度，記錄數據。

2.2.3 pH 值影響實驗

取4個800 mL燒杯，量取250 mL已配制好的10 mmol/L的CuSO4溶液置于燒杯中，分別稱取2.5 g廢革膠原纖維，充分浸入各燒杯的溶液中，控制溫度在30℃，用稀鹽酸或氨水調節pH值分別為3、5、10.5 和11，30 min 后測量溶液中 Cu2+濃度，記錄數據。

2.2.4 吸附材料量影響實驗

取4個800 mL燒杯，量取250 mL已配制好的10 mmol/L的CuSO4溶液置于燒杯中，分別稱取1.5、2.5、3.5 和 4.5 g 廢革膠原纖維，充分浸入各燒杯的溶液中，控制溫度在30℃，用稀鹽酸或氨水調節pH值為5，30 min后測量溶液中的Cu2+濃度，記錄數據。

3 結果與分析

3.1 溫度的影響

圖1是在CuSO4溶液初始濃度為10 mmol/L、pH值為5、吸附時間為30 min、吸附材料為2.5 g廢革皮膠原纖維、被吸附溶液體積為250 mL的參數條件下，不同溫度下廢革膠原纖維對Cu2+的吸附曲線。

圖1 不同溫度下廢革膠原纖維對Cu2+的吸附曲線

如圖1所示，在20～50℃階段，隨著溫度的上升，廢革膠原纖維對于Cu2+的吸附量上升，實驗中最大吸附量為0.913 mmol/g，即每升溶液中有9.13 mmol的 Cu2+被吸附。

根據吸附結果可以推測，較高的溫度增加了廢革膠原纖維的反應活性，更有利于Cu2+附著在纖維表面或者纖維間。

3.2 時間的影響

圖2是在CuSO4溶液初始濃度為10 mmol/L、pH值為5、實驗溫度為30℃、吸附材料為2.5 g廢革膠原纖維、被吸附溶液體積為250 mL的參數條件下，隨吸附時間變化廢革膠原纖維對Cu2+的吸附曲線。

圖2 隨時間變化廢革膠原纖維對Cu2+的吸附曲線

如圖2所示，在0～50 min之間，Cu2+的吸附量隨時間增加呈上升態勢。在開始的20 min內，吸附速度快且吸附量相對較大，這是因為在實驗初始階段廢革膠原纖維上有較多的反應基團，吸附作用較強;隨著反應的進行，吸附逐漸達到飽和，基本不再吸附Cu2+;50 min時吸附量達到0.853 mmol/g，即每升溶液中有8.53 mmol的Cu2+被吸附。

3.3 pH值的影響

圖3是在CuSO4溶液初始濃度為10 mmol/L、實驗溫度為30℃、吸附時間為30 min、吸附材料為2.5 g廢革膠原纖維、被吸附溶液體積為250 mL的參數條件下，不同pH值下廢革膠原纖維對Cu2+的吸附曲線。

圖3 不同pH值下廢革膠原纖維對Cu2+的吸附曲線

從圖3可以看出，當pH值為5(溶液呈弱酸性)時，Cu2+吸附量達到0.838 mmol/g。廢革膠原纖維在制革過程中形成了很多活性基團，如羧基、羥基和氨基等，能與金屬離子發生配位反應，并且其在低pH值條件下仍能發揮優良作用;但當pH值較小時，會阻礙陽離子解離并與Cu2+發生反應;當pH值較大(溶液呈堿性)時，Cu2+在溶液中主要以四氨合銅(Ⅱ)絡合物的形式存在;當溶液呈弱堿性時，Cu2+轉化成氫氧化銅沉淀［7］。

3.4 吸附材料量的影響

圖4是在CuSO4溶液初始濃度為10 mmol/L、pH值為5、實驗溫度為30℃、吸附時間為30 min、被吸附溶液體積為250 mL的參數條件下，不同量的廢革膠原纖維對Cu2+的吸附曲線。

由圖4可以看出，隨著吸附材料量的增加，廢革膠原纖維中參與反應的活性基團增多，則吸附的Cu2+亦多。

圖4 不同廢革膠原纖維量對Cu2+的吸附曲線

4 結論

(1)廢革膠原纖維以皮革邊角料為原料，來源廣，成本低，屬于廢物利用，疏解過程屬于物理過程，無污染，符合可持續發展的觀念。

(2)廢革膠原纖維對Cu2+有很好的吸附性能，作為過濾材料能夠去除廢水中的Cu2+等重金屬離子。

(3)溫度、吸附時間、pH值、吸附材料量等參數的變化可以影響廢革膠原纖維對Cu2+的吸附。溫度在20～50℃之間時，溫度越高，廢革膠原纖維對Cu2+吸附量越大;隨著吸附時間的增加，吸附越完全，吸附量呈上升趨勢，50 min以后達到吸附和解吸的動態平衡;pH值在3.5～11之間時，pH值為5時吸附效果最好;隨著吸附材料量的增加，參與反應的活性基團增多，則吸附的Cu2+亦多。通過實驗得出，當CuSO4溶液體積為250 mL，初始濃度為10 mmol/L，pH值為5，吸附材料為2.5 g廢革膠原纖維，吸附時間為30 min時，廢革膠原纖維對Cu2+的吸附量在50℃時可達一個較高值，為0.913 mmol/g，即每升溶液中有 9.13mmol的 Cu2+被吸附。

［1］王德義，高書霞.舊皮革的回收與利用［J］.再生資源研究，2004(2):39.

［2］陸愛霞.膠原纖維固化金屬離子吸附材料的制備及其對蛋白質、酶和微生物的吸附特性研究［D］.成都:四川大學皮革化工與工程專業，2006.

［3］EVANS N A，MILLIGAN B，MONTGOMERY K C.Collagen Crosslinking:new binding sites for mineral tannage［J］.Journal of the American Leather Chemists Association，1987，82(4):86-95.

［4］徐樸，葉奕樑.水刺法非織造布工業的現狀和發展［J］.非織造布，2007，15(6)，3-9.

［5］劉蓮，俞鎮慌.羽毛非織造布對銅離子的吸附研究［J］.非織造布，2008，16(4):10-14.

［6］何畏.物理化學實驗［M］.北京:科學出版社，2009:31-37.

［7］楊崇嶺，關麗濤，趙耀明，等.羽毛的化學改性及其對Cu2+的吸附［J］.農業環境科學學報，2007，26(1):344-349.

Study on adsorption performance of waster leather collagen fiber on heavy metal

Shen Ge，He Nanfei，Feng Kai，Yin Baopu
(College of Textile，Donghua University)

A large amount of scraps leather obtained during leather-making processing were slacked and de-composited to collagen protein fiber which to be reused.This kind of fiber used as novel adsorbent could get rid of heavy metals involving copper ion.The influence of parameters such as temperature，time，pH value and adsorption material during adsorption period on adsorption effect were studied.

waster leather collagen fiber，copper ion，adsorption

TS101.92+1.9

A

1004－7093(2011)07－0020－04

*國家大學生創新性實驗計劃項目(091025526)

2011－05－16;修改稿:2011－06－21

沈戈，女，1989年生，非織造材料與工程專業學生。