改性纤维素类吸附剂应用（一）

[db:作者] / 2023-01-05 00:00

[应用]纤维素经过不同方法的化学改性得到了许多具有不同功能的吸附剂，目前这些吸附剂已经广泛地应用于生物医学、生物化工、环境保护等各方面。改性后的纤维素在临床医学中可以利用它在不同的基体中分离得到各种所需的酶，还可以通过它的选择吸附作用进行血液分析。在生物化工上可以将改性后的纤维素用于染料等化学物质的吸附，溶液中离子检测、化学物质的分离提纯等。在废水处理领域，改性纤维素类吸附剂主要用于去除水体中的Cu2+、Mn2+、Co2+、Fe3+、Pb2+、Hg2+、Cd2+等重金属离子以及有机物质、农药等，并均取得很好的处理效果，而且容易脱附再生。

Nada等用琥珀酸酐和氯乙酸对甘蔗渣进行了化学改性，制得含有羧基的离子吸附剂，通过NaOH滴定测得所引入的羧基分别为1.99mmol/g和0.33mmol/g，其对Cu2+、Ni2+、Cr3+、Fe3+等有较好的吸收；Nada等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剂，可以较好地吸附Cd2+、Pb2+、Cu2+、Co2+、Cr3+、Ni2+等离子。

张玉霞等通过对芝麻秆纤维素醚化后与季铵盐反应制备了改性纤维素，并用于苯胺的吸附，发现苯胺的去除率可达93.2%。王少敏等用仲胺型硝化纤维素吸附肾毒性物质肌酐，在肌酐质量浓度为60mg/L、温度为37℃、透析液pH=7的条件下，0.5gACN对肌酐的吸附平衡时间为2h，平衡吸附率为68%，吸附主要靠非氢键的化学作用。代瑞华等研究发现，球形醋酸纤维素吸附剂对水中狄氏剂、艾氏剂、异狄氏剂、七氯4种有机氣农药有较强的吸附能力，12h后去除率均达到85%以上，并且对正辛醇水分配系数较大的有机物具有更快的吸附速度，对七氯、艾氏剂的去除率在0.5h后可达99%，说明该吸附剂对水中亲脂性的有机物具有较高的吸附效能。

笔者和课题组成员以自制含不同基团的球形纤维素吸附剂处理Cu2+、Co3+、Cr3+、Nd3+、Cr6+、Ni2+等重金属离子和表面活性剂(SDBS)、氨基酸等，均取得了较好的吸附效果。

用含有咪唑啉基和羧基的球形纤维素螯合吸附剂吸附表面活性剂，得到以下结论。①影响吸附剂对SDBS吸附效果的因素主要有SDBS初始质量浓度、吸附液的pH值、吸附时间及吸附温度等；实验结果表明：在pH=4时，球形纤维素螯合吸附剂对初始质量浓度为50mg/L的SDBS溶液的吸附容量为18.10mg/g，去除率达90.3%；吸附时间的延长有利于提高吸附剂的吸附效果，但当吸附时间达到60min后，继续延长吸附时间，对SDBS的去除率无太大影响。②对SDBS溶液的静态吸附实验表明，吸附过程符合Langmuir等温模式，吸附呈单分子层形式。③动力学研究表明，吸附过程主要由表面扩散控制，吸附速度常数随着温度的升高而下降；④热力学研究表明，随着温度的升高，特征值b、Q0均变小，这说明温度升高不利于吸附过程的进行，球形吸附剂对SDBS的吸附能力减弱；同时，△H为-11.721kJ/mol(<0)说明该吸附过程发生放热反应，以化学吸附为主；吸附质在4个温度条件下的自由能OG均为负值，说明吸附过程是自发进行的。

以羧酸型球形纤维素吸附剂对碱性氨基酸(L-赖氨酸、L-精氨酸和L-组氨酸)进行吸附，得到以下结论。①静态等温吸附符合Langmuir吸附等温式。②吸附剂对碱性氨基酸的吸附效果与吸附质溶液的pH值、吸附质的初始浓度、吸附时间及吸附温度相关；球形纤维素吸附剂对各碱性氨基酸的吸附均有一最适pH值，提高吸附质的初始浓度，延长吸附时间，降低吸附温度均可提高吸附效果。③纤维素吸附剂对氨基酸的静态吸附和动态吸附实验表明，纤维素吸附剂对碱性氨基酸具有很好的吸附效果，在实验条件下，对L-赖氨酸、L-精氨酸和L-组氨酸的静态吸附量分别达到95.8mg/g、106.1mg/g和110.6mg/g，动态吸附量分别达到70.3mg/g、73.6mg/g和80.0mg/g，并具有很好的解吸再生能力。④吸附热力学和吸附动力学的研究结果表明：纤维素吸附剂对碱性氨基酸的吸附以化学吸附为主；纤维素吸附剂对三种碱性氨基酸吸附速率大小顺序为：L-组氨酸>L-精氨酸>L-赖氨酸。⑤研究了混合碱性氨基酸在球形纤维素吸附剂上的竞争吸附行为，实验结果显示，在三种碱性氨基酸的混合溶液中，球形纤维素将优先选择吸附L-组氨酸。⑥与732型阳离子交换树脂比较，在吸附速率上，球形纤维素吸附剂比732型阳离子交换树脂具有明显的优势。

乔莎等基于ATRP法制备纤维素吸附剂，首先，以氯乙酰氯为酯化剂，在离子液体BMIMCI中与纤维素发生均相乙酰化反应，得到了ATRP大分子引发剂(Cell-CIAc)，随后以Cell-CIAc为ATRP引发剂，以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体，CuBr/bpy为催化剂，进行GMA的ATRP，制备出结构可控、分子量分布窄的纤维素接枝共聚物Cell-g-PGMA，并对ATRP反应动力学进行研究。研究结果表明，该反应过程符合一级反应动力学规律，证明该ATRP聚合反应是“活性”/可控的；同时，用透射电镜观察到合成的Cell-g-PGMA在丙酮溶液中具备自组装行为；ATRP聚合反应温度以及反应体系中的单体浓度是Cell-gPGMA分子量及分子量分布的影响因素。

其次，以Cell-g-PGMA为基体，用乙二胺对其进行开环改性，通过单因素实验研究了吸附剂制备过程各因素的影响。研究结果得出，在乙二胺用量为20mL，制备温度为80℃，制备时间为1h，得到的吸附剂NPGMA的含氮量为10.16%。

再次，实验采用静态吸附方法研究了NPGMA对六价铬溶液的吸附性能，包括溶液pH值、初始浓度、吸附时间以及吸附温度等影响因素；同时对吸附过程进行了吸附动力学和热力学的研究，并对吸附机理进行了探讨。吸附实验显示，NPGMA对Cr(VI)吸附性能优异，其吸附容量和去除率分别达到99.60mg/g和99.60%。NPGMA的静态等温吸附符合Langmuir和Freundlich吸附等温式，表明NPGMA对Cr(VI)的吸附以化学吸附为主；表面扩散和颗粒内扩散共同控制整个吸附过程，但以颗粒内扩散为主。最后，对NPGMA的再生性能进行研究。用浓度为2mol/L的NaOH溶液对其进行简单再生后，就可恢复使用，重复次数达3次后，吸附容量仍较高；解吸后的NPGMA经红外光谱分析后显示其仍然具有氨基官能团，而从环境扫描电镜图中可以看出，其表面光滑，仍有大量的孔隙存在，表明解吸后的NPGMA与原NPGMA结构变化不明显，显示出广阔的应用前景。

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