纤维素基离子吸附材料的研究进展_张莹

13mm o l/ L 时, 改性后的 树脂能较好的对金属离
子进行吸附, 且对 Pb2+ 的选择性较好。
D avidW illiam 等 [ 17 ] 以纤维素为原料, 先后与
甲基丙烯酸缩水甘油酯和咪唑进行接枝反应, 制
备出 两 性 纤 维 素 材 料 ( ce l-l g-GMA- im idazo le )。
根据离子吸附材料分子中引入的吸附基团 的种类及吸附方式, 可将纤维素离子吸附材料分 为阳离子吸附材料、阴离子吸附材料、两性离子 吸附材料和离子螯合型吸附材料等。
1 阳离子吸附材料
在纤维素分子链上含有大量羟基, 通过对羟 基改性使其发生酯化、醚化或氧 化反应, 所得纤 维素衍生物能与金属阳离子发生反应, 从而制备 出阳离子吸附材料。
胺, 进而在碱性条件下水解制得阴离子接枝共聚 物 ( CMC-g-A PAM ) , 并测定了该共聚物对 Cu2+ 的 去除率。实验结果表明, 该共聚物对铜离子有很 好的吸附性能, 去除率高达 95% 以上, 吸附容量 可达 212mm o l/ g。
3 两性离子吸附材料
两性离子吸附材 料是指纤维素分子链上同
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Sr2 + 、Cu2+ 、N i2+ 等离子。 A n irudhan 等 [ 6] 用甲 基丙烯酸 对 T iO2 增强
的纤维素黄原酸酯进行改性, 将羧酸基团引入纤 维素 分子链, 并 将制备 的接枝 共聚物 ( PGTDCCOOH ) 用于处理水中的 U ( Ö ) , 结果表明, PGTDC-COOH 可以很好地吸附 U ( Ö ) 离子, 其最大 吸附容量为 99184m g / g。
继后, N ada 等 [ 5] 又用氯磺 酸和三氯 氧磷同 时对棉杆进行改性, 将磺酸和磷酸基团两种基团 引入纤维素骨架中, 制备了具有较高吸附能力的 含硫、含磷的阳离子交换纤维, 实验结果表明, 带 有磺酸和磷酸两种基团的棉杆纤维比只带有任 一种基 团的 棉杆纤 维, 可以 更好 地吸 附 A s3+ 、
陈中兰 [ 22 ] 将棉 纤 维与 2-巯 基 苯丙 咪 唑反 应, 通过间接醚化法将优良的重金属螯合剂接枝 于棉纤维上, 合成了 2-巯基苯丙咪唑新型螯合纤 维素, 并选择最佳条件, 实现了在一个水样中同 时富集和洗 脱铅、铜、镍 的目的。实验结 果表 明, 该新型螯合纤维素用于痕量元素的分离富集 具有交换速率快, 易于解脱, 富集倍数大, 选择性 好等优点。
施文健等 [ 21] 用纤维素与巯基乙酸在乙酸酐 和乙酸介质中发生酯化反应, 合成了巯基纤维素 ( SC) , 其在一定条件下可以与水中 H g2+ 、Cd2+ 、 Pb2 + 、Cu2 + 等重金属离子发生配 位、螯合等反应 和物理吸附, 从而达 到去除 水中金 属离子 的目 的, 在实验过 程中, SC 去除重金属离子 效率高, 显示出很强的吸附选择性。
L iu Q isong 等 [ 8 ] 用甘氨酸改性纤维素, 并研 究了其对水中 Cr3+ 离子的吸附性能。实验结果 表明, 改 性纤维素对 C r3+ 离子的 吸附反应符合 L angm uir 等 温 方 程, 其 最 大 吸 附 容 量 为 110147m g / g。
2 阴离子吸附材料
纤维素等天然高分子中的羟基首先通过交 联处理或接枝化, 然后经过胺化后能与阴离子进 行交换, 则制成阴离子吸附材料。
含硫的螯合型纤维素吸附材料主要有纤维 素黄原酸酯、巯基类纤维素、聚硫醚类纤维素。
( 1) 纤维素黄原酸酯 黄原酸酯是纤维素的一 种重要衍生物。首 先由二硫化碳与 N aOH 反应, 生成高反应性能的 离子化水溶性物质二硫代碳酸酯, 该酯自发地与 纤维素反应, 生成纤维素黄原酸酯。也可以用溶 于碱中的二硫化碳直接与纤维素反应, 生产纤维 素黄原酸酯。 黄金阳 [ 18] 等以蔗 渣纤维 素为原料, 经碱化 后与二硫化碳酯化反应制得蔗渣纤维素黄原酸 酯, 并测定了产物对 C r( Ö ) 离子的吸附性能。 实验结果表明, 改性后的蔗渣吸附剂对 C r( Ö ) 的吸附容量及吸附率可达到 117m g / g和 9918% , 对蔗渣吸附剂用氨水解吸后重复 5次进行再生 实验, 吸附容量仍可达到 1145m g / g, 表明其具有 较好的重复使用性及稳定性。 柯敏等 [ 19] 仍用蔗 渣为原 料, 通过 正交试验 研究了蔗渣纤维素磺原酸酯合成的最优实验条 件: 蔗渣 3g; NaOH 20% ; 磺原酸酯 2118mL; 交联 时间 24h; 磺 原 酸 化 反 应 时 间 1h; 5% 硫 酸 镁 25m L, 并测定了该磺原酸酯对电镀废水中 Cu2+ 、 C r6+ 、Zn2+ 、Pb2+ 离子的吸附性能, 以及用红外光 谱和扫描电镜对该吸附材料进行了表征。 彭望明 [ 20] 则用脱 脂棉与 二硫化碳 反应, 研 究制备纤维素磺原酸酯, 并对含镍离子的废水进 行吸附研究。实验结果表明, 当吸附温度 50e 、 吸附时间为 2h、溶液 pH 值 810、吸附剂用量 210g 时, 纤维素黄原酸酯对镍离子吸附容量及吸附率 可达到 26111 m g /g 和 97118% 。 ( 2) 巯基类纤维素 巯基纤维素由纤维素和巯基乙酸为原料合 成得到。
能力比活性炭提高了约 315倍。
林松柏等 [ 15] 将羧甲基纤维素 ( CM C ) 与丙烯
酸 ( AA ) 和丙烯酰胺 ( AM )进行接枝反应, 并研究
了其对 Cu2+ 的吸附性能。实验结果表明, 在浓度
为 10mmo l /L 的铜离子溶液中, CMC-g-P ( AA- co-
AM )材料的吸附容量为 20130mm o l/ g, 且再 生 3
次后, 仍有良好的吸附能力, 可循环使用。
李云龙等 [ 16] 先将羧甲基纤维素 ( CM C) 与丙
烯酰胺接枝共 聚, 制备了 CMC-g-AM 树 脂, 然后
对 CMC-g-AM 树脂进行磺甲基化改性, 并讨论了
改性树脂对 Cu2+ 和 Pb2+ 的吸附条件。实验结果
表明, 当 Cu2 + 和 Pb2+ 浓 度分别为 11mm o l/L 和
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材料开发与应用
2011年 2月
文章编号: 1003-1545( 2011) 01-0070-06
纤维素基离子吸附材料的研究进展
张 莹, 张教强, 杨满红, 赵 海
(西北工业大学理学院应用化学系, 陕西 西安 710072)
摘 要: 纤维 素中含有许 多亲水性的 羟基基团 , 通过 羟基的衍 生化反应, 可以 将其制备 成离子 吸附 材料。 本 文 针对纤维素 的结构特 点, 综 述了国内 外以 纤 维素 为原 料制 备离 子吸 附 材料 并 将其 用于 废 水处 理的 研 究 进展。 关键词: 纤维素; 吸附; 化学改性; 金 属离子 中图分类号: O 636111 文献标识码: A
近几年, 研 究人员 开始 用改性 的天 然高分 子纤维素作 为吸附材 料, 来分离 和提取 废水中 的重金属 离子。与一 般方法 相比, 纤维 素无污 染、易生 物降解, 且来源 广泛价格 低廉。因此, 对其的研究便成了该领域的 热点。本文综述了 以纤维素 为原料制 备离子 吸附材 料的研究 进展。
李辉等 [ 11] 以氯化 亚砜改 性微晶纤 维素, 利 用二乙烯三胺对氯化纤维素进行胺基取代制得 纤维素胺基树脂 , 将 F e3 O4 磁粉包埋于树脂中, 制备了磁性纤维素胺基树脂, 该树脂能有效地吸 附 C r2 O27- 离子。
李佳等 [ 12] 采用棉纤维为原料, 用 N, N-二甲 基甲酰胺和三氯氧磷将纤维素氯化, 然后通过胺
N ada 等 [ 3, 4] 用氯磺酸对甘蔗渣、木材等农业 废弃物进行改性, 制备了含有较高吸附能力的磺 酸基团的阳离子 吸附材料。此外, Nada 还用三 氯氧磷处理甘蔗渣、木材、玉米秸秆等农业废弃 物, 制备了含有较高吸附能力的磷酸基团的阳离 子吸附材料, 可以较好地吸附 Cd2+ 、Pb2 + 、Cu2+ 、 Co2 + 、C r3+ 、N i2+ 等离子。
重金属是具有潜在危害的持久性污染物, 主 要有汞、铅、镉、砷和 铬等造成的污染, 由于重金 属离子难以降解, 并且可以经过水体富集到生物 链, 最终进入人体危害人类健康, 因此, 如何治理 重金属废水及回收其中的贵重金属离子对于可 持续发展显得越来越重要。目前, 已有多种治理 重金属废水的技术 [ 1] , 水中的重金属离子可采用 氧化还原、化学沉淀、离子交换、吸附、膜分离等 方法去除, 其中吸附与离子交换法具有处理效率 高、易于操作、能耗低等优点, 是重金属废水处理 的常用方法。活性炭和各种离子交换树脂是常 用的吸附剂和离子交换剂, 但其价格昂贵, 再生 困难。因此, 科学家们一 直致力于寻找廉价、高 效的重金属吸附材料。
吸附研究表明, 该材 料在 40e 下对 Cu2+ 的吸附
容量可达 71143m g / g。
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材料开发与应用
2011年 2月
4 离子螯合型吸附材料
离子螯合型吸附材料是以纤维素等天 然高 分子为骨架, 连接螯 合基团, 通过离子键和配位 键与溶液中的金属离子有选择性的作用, 生成络 合物。由于氮和硫元素配位能力较强, 再加上纤 维素本身亲水性好、比表面积大, 含氮和硫的纤 维素螯合型吸附材料得到了广泛的应用。 411 含硫离子螯合型吸附材料
M unusam y等 [ 7 ] 以柠檬皮 纤维素为 原料, 经 碱化后 再 用 草 酸 进 行 改 性, 改 性 后 的 纤 维 对 Cu2 + 、Pb2+ 、Zn2+ 、N i2 + 、Cd2+ 等离子都具有较高 的吸附能力, 尤其是对 Cu2 + 和 N i2+ 离子有很好 的去除能力, 吸附容量 分别达到 344183mg / g和 285171m g / g。
时接上阴、阳离子两种基团, 在吸附过程中, 阴阳
两种离子可以同时被吸附。
崔志敏等 [ 14] 将甘蔗 渣纤维素 碱化处理, 再
ຫໍສະໝຸດ Baidu
先后与 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和甲基丙烯
酸反应, 得到两性纤维素。研究表明, 该两性蔗
渣纤维素对
Pb2
+
、Zn2+
、C
u2
+
、C
r2O
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的交换吸
附能力比活性炭提高了 714倍, 对染料交换吸附
A bd-A llah等 [ 2] 以蔗渣纤维为原料, 采用 3种 不同类型的反应 (氯乙酸醚化反应、琥珀酸酐酯化 反应、高碘酸钠盐及亚氯酸钠盐氧化反应 )对蔗渣 纤维改性生成羧甲基蔗渣纤维, 研究了这种改性 纤维对 C r3+ 、Cu2+ 、F e2+ 、N i2+ 等离子的吸附性 能, 并考察了离子浓度对吸附性能的影响。
Shahri等 [ 9] 以橡胶木纤维素为原料, 通过丙 烯酰胺接枝反应制备了阴离子吸附剂。研究发 现该吸附剂对溶液中 Cu2+ 有很好的去除能力, 吸 附容量可达 90m g /g。
Thayyath S等 [ 10 ] 将椰壳纤维作为基体, 与丙 烯酰胺先进行接枝反应, 再用乙二胺进行回流, 发生转酰胺基作用, 并测定了产物对 C r( Ö ) 的 吸附性能。测试结果表明, 在 30e 时, 该吸附材 料对 Cr( Ö ) 的吸附容量为 48127m g / g, 且再生 4 次后吸附容量仍可达到 4611 m g / g, 证明该吸附 材料易解吸、重复性好。
化反应使乙二胺和经氯化处理的棉纤维发生亲 核取代反应, 最后得到胺基棉纤 维, 并用于金属 离子 F e3+ 、Co2 + 、N i2+ 、Zn2+ 的吸附。实 验结果 表明, 改性后的胺基棉纤维对 Fe3+ 、Co2+ 、N i2+ 、 Zn2 + 显示出明显吸附能力, 去除率都大于 90% 。
马凤国 [ 13] 将 羧甲 基纤 维素 接 枝聚 丙 烯酰
收稿日期: 2010- 09- 20 作者简介: 张 莹, 1984 年 生, 女, 山 西 人, 硕 士 研 究 生, 主 要 从 事 环 境 工 程 材 料 方 面 的 研 究。 E-ma i:l 020304137@
163. com。
第 26卷第 1期
张 莹等: 纤维素基离子吸附材料的研究进展