陽離子纖維素基吸附材料的制備與吸附性研究

張　森，靳小軍，向子祺 ，秦　峰，梁　倩 ，劉夢琪 ，劉建立

（1.江南大學 紡織服裝學院，江蘇無錫　214122；2.常熟市永得利水刺無紡布有限公司，江蘇常熟　215500）

隨著經濟的迅速發展，水污染成為最嚴重的問題之一，主要污染物包括重金屬離子、染料等，常用方法為采用活性炭和離子交換樹脂處理，但這些試劑價格昂貴，再生困難[1]。改性纖維素類水處理材料逐漸成為研究熱點[2-8]。另外，在洗衣時，尤其是深色衣物，易褪色的染料會沾染其他衣物，造成洗衣串染，而分開洗滌會造成時間和水資源的浪費。目前各類衣物所使用的易褪色的染料主要為陰離子型。

為此，本文以纖維素纖維為基材，2,3-環氧丙基三甲基氯化銨（EPTAC）為醚化劑，制備了陽離子纖維素基吸附材料，并通過改進協同活化體系使得吸附性能進一步提高。

1　實驗部分

1.1　實驗材料、藥品及儀器

材料：纖維素纖維非織造布（常熟市永得利水刺無紡布有限公司）

藥品：2,3-環氧丙基三甲基氯化銨（EPTAC）95%；氫氧化鈉（分析純）、氫氧化鋰（分析純）、尿素（分析純）；直接紅染料、活性紅染料、靛藍染料。

儀器：HH4型數顯恒溫水浴鍋（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）；GZ120.S型數顯懸臂式恒速強力電動攪拌機（江陰市保利科研器械有限公司）；T6新世紀型紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；GZX-9146MBE型電熱鼓風干燥箱（上海博迅實業有限公司醫療設備廠）；JA5003型高精密電子秤（上海浦春計量儀器有限公司）；BIO-DL型移液器（上海蘇陽儀器有限公司）；EL4001型電子天平（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）。

1.2　陽離子纖維素基吸附材料的制備

1.2.1制備方法

將500g蒸餾水放入燒杯并升溫至目標溫度；加入一定量堿（氫氧化鈉或氫氧化鋰）和尿素并攪拌均勻；加入10g纖維素纖維并攪拌，轉速200r/m in；半小時后，加入一定量的EPTAC；保溫一定時間后，取出纖維素纖維并清洗、烘干待測。

1.2.2制備工藝優化

以氫氧化鈉用量、尿素用量、EPTAC和纖維素纖維的質量比m(EPTAC): m(纖維素)、反應時間、反應溫度為5因素4水平進行正交實驗（見表1）。

表1　制備工藝優化水平因素表

1.3　不同協同活化體系對吸附性能的影響研究

分別以氫氧化鈉/尿素和等摩爾的氫氧化鋰/尿素為協同活化體系，采用1.2.2確定的最佳工藝制備陽離子纖維素基吸附材料。以染料種類、染料濃度、吸附時間、吸附溫度為4因素3水平進行正交試驗，比較兩種協同活化體系的吸附性能，正交試驗因素水平表如表2所示。

表2　吸附效果水平因素表

1.4　測試方法

1.4.1吸附性能的測試方法

配制一定濃度的的一種染料的水溶液500m L并加熱至一定溫度，取陽離子纖維素基吸附材料5g放入燒杯中并攪拌一定時間，取出吸附材料并檢測殘液吸光度。

1.4.2染料濃度測定

采用T6新世紀型紫外可見分光光度計測定染料濃度和吸光度的關系，如公式（1）～（3）所示

靛藍染料 ：C=(A+0.1619)/0.0095（1）

直接紅染料 ：C=(A+0.0074)/0.0262（2）

活性紅染料 ：C=(A+0.0016)/0.0106（3）

式中：C為染料濃度（mg/L），A為吸光度。

1.4.3吸附量測定[11]

吸附量為每克吸附材料吸附的染料質量，如公式（4）所示：

式中，Q為吸附量（mg/g），C0表示溶液初始濃度（mg/L），CE表示吸附后溶液的平衡濃度（mg/L），V為溶液體積（L），m為吸附材料的質量。

2　結果與討論

2.1　陽離子纖維素基吸附材料的最佳制備工藝確定

纖維素纖維為基材，ETPAC為醚化劑，以氫氧化鈉濃度、尿素濃度、EPTAC/纖維素、反應時間和反應溫度為5因素4水平進行正交試驗如表1所示，正交試驗結果見表3。

表3　制備工藝優化結果與分析

續表3

從表3可以看出，對陽離子纖維素基吸附材料的吸附量影響的顯著性順序為C>B>A>D>E。陽離子纖維素系吸附材料的最佳制備工藝為A4B2C4D4E3，即氫氧化鈉用量為6%，尿素用量為2%，m(EPTAC)∶m(纖維素)=5∶5，反應時間100 m in，反應溫度70 ℃。

這是因為，隨著氫氧化鈉濃度的提高，陽離子纖維素基吸附材料的吸附性能逐漸增加，而增加的幅度在慢慢減緩。這是由于在氫氧化鈉濃度相對較低時，隨著氫氧化鈉濃度的增加，纖維素與氫氧化鈉生成的堿纖維素增多，而氫氧化鈉濃度增加到一定程度之后，由于纖維素大分子內存在結晶區不容易與氫氧化鈉反應生成堿纖維素，隨著氫氧化鈉濃度的升高陽離子纖維素基吸附材料的吸附性能增加的幅度減緩，所以氫氧化鈉濃度為6%時為最優方案[9]。氫氧化鈉/尿素溶液體系是一種廉價、無污染的新型纖維素溶劑，纖維素醚化需要強堿進行活化，而氫氧化鈉/尿素是非常合適的均相醚化反應介質[10]。實驗結果分析可得尿素濃度在2%時為最優方案。隨著EPTAC的質量增大，陽離子纖維素醚的吸附效果增強，這是因為EPTAC的含量越多，堿纖維素的醚化程度越高，纖維素大分子上的陽離子基團越多，進而吸附效果也就越明顯。由于EPTAC的造價較高，所以綜合考慮采用5∶5的m(EPTAC)∶m(纖維素)。反應時間為100 m in和反應溫度為70℃時效果最好。

2.2　不同協同活化體系對吸附性能的影響

分別以氫氧化鈉/尿素和氫氧化鋰/尿素為協同活化體系，依據最佳制備工藝制備的陽離子纖維素基吸附材料，以染料種類、染料濃度、吸附時間和吸附溫度為4因素3水平進行正交試驗，比較兩種協同活化體系的吸附性能如表4和表5所示。

表4　氫氧化鈉/尿素體系吸附材料的吸附效果表

續表4

表5　氫氧化鋰/尿素體系吸附材料的吸附效果表

從表4和表5可以看出，采用氫氧化鋰/尿素協同活化體系制備的陽離子纖維素基吸附材料對直接紅染料、活性紅染料和靛藍染料的吸附效果優于氫氧化鈉/尿素的協同活化體系。這是因為相同摩爾數的氫氧化鋰對纖維素的活化效果比氫氧化鈉強。從離子角度和堿性強弱分析，鋰離子的原子小，并且氫氧化鋰的堿性更強，更容易使纖維素活化生成堿纖維素。

3　結論

a）陽離子纖維素基吸附材料的最佳制備工藝為：氫氧化鈉用量為6%，尿素用量為2%，m(EPTAC):m(纖維素)=5:5，反應時間100min，反應溫度70℃。

b）采用氫氧化鋰/尿素協同活化體系制備的陽離子纖維素基吸附材料的吸附效果優于氫氧化鈉/尿素。

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