纖維素基重金屬吸附材料的制備及吸附性能研究.pdf

1、纖維素作為自然界中通過光合作用合成的天然高聚物，已經(jīng)融入了大自然的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，而且可以完全再生，是一種儲(chǔ)量巨大的天然資源。纖維素具有豐富的官能團(tuán)，易于物理和化學(xué)修飾，并具有可生物降解性、生物相容性及安全性等優(yōu)點(diǎn)，是自然界賦予人類的寶貴資源和財(cái)富。大自然每年通過光合作用可合成纖維素約1800億噸，但目前被人類利用的纖維素，占地球上總纖維素的比例不到10％，造成了資源的極大浪費(fèi)。超支化聚合物作為一種高度支鏈化的聚合物，端基由很多活性基團(tuán)組

2、成，極易溶于常見的普通溶劑中，溶液粘度低，具有很高的反應(yīng)活性。此外，超支化聚合物制備成本低，且制備簡單，使其應(yīng)用前景廣闊。
　　本研究利用多氨基超支化聚合物（HBP-NH2），分別對棉纖維和二醋酸纖維素納米纖維（CDA）進(jìn)行氨基化改性，制備了兩種重金屬吸附材料——CF-NH2和CDA-NH2，并對CF-NH2和CDA-NH2分別經(jīng)SEM、FT-IR以及XPS分析，進(jìn)一步表征了 HBP-NH2與纖維素基材料的結(jié)合情況，探討了制備兩種

3、重金屬吸附材料的化學(xué)機(jī)理，并通過選擇在水體中以Cu2+陽離子形式存在的銅離子和水體中主要以Cr2O72-、CrO42-、HCrO4-陰離子形式存在的鉻離子兩種重金屬離子，對制備的CF-NH2和CDA-NH2兩種重金屬吸附材料進(jìn)行重金屬吸附試驗(yàn)。
　　研究結(jié)果表明，棉纖維和CDA納米纖維經(jīng)過一系列預(yù)處理后，通過戊二醛的交聯(lián)作用成功的將 HBP-NH2接枝到棉纖維和上 CDA納米纖維，成功制備了兩種HBP-NH2改性的纖維素基重金屬吸

4、附材料CF-NH2和CDA-NH2。
　　SEM圖片顯示，棉纖維CDA納米纖維經(jīng)HBP-NH2改性后，表面覆蓋了一層物質(zhì)，說明HBP-NH2經(jīng)化學(xué)接枝交聯(lián)到纖維素基材料表面。
　　FT-IR結(jié)構(gòu)分析表明，棉纖維經(jīng)HBP-NH2改性后，在1637.27cm-1處出現(xiàn)了C=N的特征吸收峰，在吸收頻率1619.91cm-1處出現(xiàn)了伯胺的 N-H彎曲振動(dòng)吸收峰，在1227.76cm-1處、1202.62cm-1處和1058.73cm

5、-1處出現(xiàn)了脂肪族胺的C-N伸縮振動(dòng)峰；經(jīng)HBP-NH2改性后的CDA納米纖維，在吸收頻率1637.34cm-1處出現(xiàn)了C=N的特征吸收峰，證實(shí)了戊二醛和氨反應(yīng)生成席夫堿。在吸收頻率3500~3100 cm-1之間有游離-NH2、-NH和締合-NH2、-NH重疊所形成的 N-H伸縮振動(dòng)吸收峰，在吸收頻率1558.27cm-1處出現(xiàn)了伯胺的N-H彎曲振動(dòng)吸收峰，吸收頻率為1350~400cm-1間的指紋區(qū)內(nèi)，1157.13cm-1處和11

6、14.70cm-1處出現(xiàn)了有機(jī)胺的C-H伸縮振動(dòng)峰，進(jìn)一步證實(shí)了HBP-NH2被成功接枝到纖維素基材料上。
　　XPS分析進(jìn)一步表明，經(jīng)HBP-NH2改性后的棉纖維表面在396 eV處，出現(xiàn)了明顯的N1s的光電子譜線；經(jīng)HBP-NH2改性后的CDA納米纖維表面在398.2 eV處，出現(xiàn)了明顯的N1s的光電子譜線，進(jìn)一步證實(shí)了通過戊二醛的交聯(lián)作用HBP-NH2被成功的接枝到了纖維素基材料的表面。
　　重金屬的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)表明，

7、與普通棉纖維及氧化棉纖維相比，經(jīng) HBP-NH2改性后的CF-NH2對Cu(II)、Cr(VI)離子的吸附能力都有了很大提高。當(dāng)溶液的pH值為5.0時(shí)，CF-NH2對Cu(II)的吸附能力最強(qiáng)，吸附量最大；當(dāng)溶液的pH值為4.0時(shí)，CF-NH2對 Cr(VI)離子的吸附能力達(dá)到最大。與未改性的 CDA納米纖維相比，CDA-NH2對Cu(II)、Cr(VI)離子的吸附能力都有了很大提高。當(dāng)溶液的pH值達(dá)到5.59時(shí)，CDA-NH2吸附劑上

8、富含的氨基官能團(tuán)去質(zhì)子化的程度較高，導(dǎo)致有更多的自由氨基官能團(tuán)配體與重金屬Cu(II)離子結(jié)合，同時(shí)氨基官能團(tuán)上的自由電子對的吸引能力也會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，CDA-NH2對Cu(II)的吸附能力最強(qiáng)，吸附量最大。當(dāng)溶液的pH值為4.0時(shí)，CDA-NH2對Cr(VI)離子的吸附能力達(dá)到最大。
　　吸附等溫線實(shí)驗(yàn)表明，CF-NH2和CDA-NH2兩種吸附劑對Cu(II)、Cr(VI)離子的吸附主要是化學(xué)吸附，并且溶液溫度對吸附劑吸附能力的影

9、響不大，重金屬吸附可以在常溫下進(jìn)行。不同溫度下CF-NH2和CDA-NH2對Cu(II)、Cr(VI)離子的吸附等溫線與Langmuir方程具有較好的擬合性，線性相關(guān)系數(shù)大于0.99。從擬合結(jié)果可以看出，CF-NH2和CDA-NH2對Cu(II)、Cr(VI)離子的吸附是放熱過程，屬于化學(xué)吸附，CF-NH2和CDA-NH2對Cu(II)、Cr(VI)離子的吸附是多層吸附，且兩種吸附材料對在溶液中為陽離子的Cu(II)和陰離子的HCrO4

10、-離子都具有很好的吸附能力。
　　吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，CF-NH2和CDA-NH2對Cu(II)、Cr(VI)離子吸附的動(dòng)力學(xué)對Lagergren準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程均有較好的回歸效果，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程回歸時(shí)的線性相關(guān)系數(shù)大于0.99，優(yōu)于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的回歸結(jié)果。用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算得到的對Cu(II)、Cr(VI)離子的平衡吸附量數(shù)值與實(shí)驗(yàn)得到的qe數(shù)值非常接近，說明CF-NH2和CDA-NH2吸附劑對Cu(II)、Cr(VI