沈 戈 何南霏 馮 凱 殷保璞

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

廢革膠原纖維對(duì)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(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

將制革過程中產(chǎn)生的大量皮革邊角料疏解成膠原蛋白纖維進(jìn)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(shí)間、pH值、吸附材料量等參數(shù)對(duì)吸附效果的影響。

廢革膠原纖維，銅離子，吸附

我國(guó)是制革大國(guó)，每年在皮革生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的皮革邊角料數(shù)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(huán)境，又造成資源的巨大浪費(fèi)［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(gè)重要的研究方向。

在制革過程中，膠原蛋白原有的結(jié)構(gòu)被部分裂解，形成了更多活性基，這些活性基團(tuán)能與金屬離子發(fā)生配位結(jié)合［2］，即廢革膠原纖維通過化學(xué)鍵可與廢水中的重金屬離子相結(jié)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(wǎng)、水刺纏結(jié)或熱熔黏合等工藝制成非織造材料，可以應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域。本文探索了廢革膠原纖維對(duì)重金屬Cu2+的吸附效果和機(jī)理，討論了吸附過程中溫度、時(shí)間、pH值、吸附材料量等參數(shù)對(duì)吸附結(jié)果的影響。

1 廢革膠原纖維的結(jié)構(gòu)和性能

為了更好地研究廢革膠原纖維對(duì)重金屬的吸附情況以及便于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)從來(lái)自制革工廠的經(jīng)機(jī)械疏解的皮革邊角料制得的廢革膠原纖維進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和物化性能的實(shí)驗(yàn)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(tǒng)計(jì)方法獲取其分布值。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(zhǎng)度主要集中在20～40 mm，最大可以達(dá)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(zhǎng)度纖維;表面有原纖化細(xì)纖包纏，截面形狀不規(guī)則，且由于線密度的離散性，橫截面大小也有差別;斷裂強(qiáng)力很低，主要集中在30～60 cN之間，斷裂伸長(zhǎng)率相對(duì)較大;回潮率達(dá)到7.1%，具有良好的吸濕性能;根據(jù)紅外光譜分析，廢革膠原纖維在110℃時(shí)，其蛋白質(zhì)會(huì)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(shù)，能制成手感柔軟、相對(duì)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(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)對(duì)于廢水中顆粒物、雜質(zhì)等有害物質(zhì)的過濾也有很好的效果。

2 重金屬(Cu2+)吸附實(shí)驗(yàn)［5］

2.1 原料和試劑

五水硫酸銅(CuSO4·5H2O)，藍(lán)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(jīng)機(jī)械疏解獲得。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

準(zhǔn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)溶液的pH值，用pH計(jì)測(cè)量;實(shí)驗(yàn)溫度用水浴鍋控制;利用分光光度計(jì)(WF J2100型)在波長(zhǎng)540 nm下測(cè)量溶液濃度［6］，材料對(duì)Cu2+的吸附效果按下式計(jì)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(zhì)量(g)。

研究在不同溫度、時(shí)間、pH值以及吸附材料量等參數(shù)條件下，廢革膠原纖維對(duì)Cu2+吸附性能的變化。

2.2.1 溫度影響實(shí)驗(yàn)

取4個(gè)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(diào)節(jié)pH值為5左右，各燒杯的實(shí)驗(yàn)溫度依次為20、30、40和50℃，30 min后測(cè)量溶液中的Cu2+濃度，記錄數(shù)據(jù)。

2.2.2 時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)

取1個(gè)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(diào)節(jié)pH值為5左右，控制溫度在30℃。每隔10 min測(cè)量一次溶液Cu2+濃度，記錄數(shù)據(jù)。

2.2.3 pH 值影響實(shí)驗(yàn)

取4個(gè)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(diào)節(jié)pH值分別為3、5、10.5 和11，30 min 后測(cè)量溶液中 Cu2+濃度，記錄數(shù)據(jù)。

2.2.4 吸附材料量影響實(shí)驗(yàn)

取4個(gè)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(diào)節(jié)pH值為5，30 min后測(cè)量溶液中的Cu2+濃度，記錄數(shù)據(jù)。

3 結(jié)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(shí)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(shù)條件下，不同溫度下廢革膠原纖維對(duì)Cu2+的吸附曲線。

圖1 不同溫度下廢革膠原纖維對(duì)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(duì)于Cu2+的吸附量上升，實(shí)驗(yàn)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(jù)吸附結(jié)果可以推測(cè)，較高的溫度增加了廢革膠原纖維的反應(yīng)活性，更有利于Cu2+附著在纖維表面或者纖維間。

3.2 時(shí)間的影響

圖2是在CuSO4溶液初始濃度為10 mmol/L、pH值為5、實(shí)驗(yàn)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(shù)條件下，隨吸附時(shí)間變化廢革膠原纖維對(duì)Cu2+的吸附曲線。

圖2 隨時(shí)間變化廢革膠原纖維對(duì)Cu2+的吸附曲線

如圖2所示，在0～50 min之間，Cu2+的吸附量隨時(shí)間增加呈上升態(tài)勢(shì)。在開始的20 min內(nèi)，吸附速度快且吸附量相對(duì)較大，這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)初始階段廢革膠原纖維上有較多的反應(yīng)基團(tuán)，吸附作用較強(qiáng);隨著反應(yīng)的進(jìn)行，吸附逐漸達(dá)到飽和，基本不再吸附Cu2+;50 min時(shí)吸附量達(dá)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(shí)驗(yàn)溫度為30℃、吸附時(shí)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(shù)條件下，不同pH值下廢革膠原纖維對(duì)Cu2+的吸附曲線。

圖3 不同pH值下廢革膠原纖維對(duì)Cu2+的吸附曲線

從圖3可以看出，當(dāng)pH值為5(溶液呈弱酸性)時(shí)，Cu2+吸附量達(dá)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(tuán)，如羧基、羥基和氨基等，能與金屬離子發(fā)生配位反應(yīng)，并且其在低pH值條件下仍能發(fā)揮優(yōu)良作用;但當(dāng)pH值較小時(shí)，會(huì)阻礙陽(yáng)離子解離并與Cu2+發(fā)生反應(yīng);當(dāng)pH值較大(溶液呈堿性)時(shí)，Cu2+在溶液中主要以四氨合銅(Ⅱ)絡(luò)合物的形式存在;當(dāng)溶液呈弱堿性時(shí)，Cu2+轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)溫度為30℃、吸附時(shí)間為30 min、被吸附溶液體積為250 mL的參數(shù)條件下，不同量的廢革膠原纖維對(duì)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(yīng)的活性基團(tuán)增多，則吸附的Cu2+亦多。

圖4 不同廢革膠原纖維量對(duì)Cu2+的吸附曲線

4 結(jié)論

(1)廢革膠原纖維以皮革邊角料為原料，來(lái)源廣，成本低，屬于廢物利用，疏解過程屬于物理過程，無(wú)污染，符合可持續(xù)發(fā)展的觀念。

(2)廢革膠原纖維對(duì)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(shí)間、pH值、吸附材料量等參數(shù)的變化可以影響廢革膠原纖維對(duì)Cu2+的吸附。溫度在20～50℃之間時(shí)，溫度越高，廢革膠原纖維對(duì)Cu2+吸附量越大;隨著吸附時(shí)間的增加，吸附越完全，吸附量呈上升趨勢(shì)，50 min以后達(dá)到吸附和解吸的動(dòng)態(tài)平衡;pH值在3.5～11之間時(shí)，pH值為5時(shí)吸附效果最好;隨著吸附材料量的增加，參與反應(yīng)的活性基團(tuán)增多，則吸附的Cu2+亦多。通過實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)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(shí)間為30 min時(shí)，廢革膠原纖維對(duì)Cu2+的吸附量在50℃時(shí)可達(dá)一個(gè)較高值，為0.913 mmol/g，即每升溶液中有 9.13mmol的 Cu2+被吸附。

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

Shen Ge，He Nanfei，F(xiàn)eng 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(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)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(yè)學(xué)生。