藍(lán) 麗 覃寧波 柳 春 黃科林 賈艷樺 李克賢 農(nóng)韋健
(1.中國科技開發(fā)院廣西分院,廣西 南寧 530022;2.廣西大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,廣西 南寧 530004)
隨著工業(yè)化的發(fā)展,世界各國的環(huán)境日益遭受破壞。工業(yè)廢水中的重金屬離子對(duì)河流、湖泊、地下水等水資源污染尤為嚴(yán)重。重金屬離子具有毒性,在自然環(huán)境中難以被降解,容易被吸收并富集在植物體內(nèi),經(jīng)過對(duì)植物的食用而最終富集在動(dòng)物和人類體內(nèi),引起一些疾病的發(fā)生。因此,富集工業(yè)廢水中的重金屬,增加對(duì)水資源的保護(hù)尤為重要。目前對(duì)工業(yè)廢水中重金屬離子的移除有很多種方法[1,2],大致可以分為:離子吸附與交換法、萃取法、電滲析法、化學(xué)沉淀法。其中電滲析法最為有效但使用成本昂貴,化學(xué)沉淀法容易產(chǎn)生體積龐大的氫氧化物沉底,而萃取法處理大量工業(yè)廢水的操作難易實(shí)現(xiàn),因此具有容易操作,離子富集效率高的離子交換法受到極大關(guān)注。離子交換法一般是過采用離子交換纖維對(duì)溶液中的重金屬離子進(jìn)行交換和吸附。其中按照交換纖維使用的原料可以分為化學(xué)纖維交換材料[3,4]和天然纖維交換材料[5]。天然纖維大多數(shù)是指自然界中植物的纖維素。由于纖維素離子交換材料是采用天然纖維為原料,具有物料來源廣、低成本、可再生等優(yōu)勢(shì),因而受到各國研發(fā)人員的青睞。在過去十多年中,世界各國從事研發(fā)纖維素離子交換材料的研究人員相續(xù)的研發(fā)出來不同植物纖維素為原料[6]的纖維素基交換材料,并在廢水中重金屬離子移除的效果明顯。本文綜述了以纖維素為載體的離子交換材料的研究進(jìn)展。
纖維素是通過β-1,4苷鍵將 D-吡喃葡萄糖環(huán)連接起來成直鏈的高分子多糖化合物,是自然界中最為豐富的資源,主要存在于植物的細(xì)胞壁中。纖維素的葡萄糖環(huán)含有大量的羥基,由于各羥基所在的位置不同而具有不同活性,親水性強(qiáng),在自然界中極易被微生物降解。每年全球植物通過光合作用產(chǎn)生了數(shù)以萬億噸的纖維素,只有部分農(nóng)作物或林業(yè)作物的纖維素被利用作為紡織、造紙和飼料外,而大部分都被用于生活燃料或作為廢物就地焚燒。天然纖維素純度最高的是棉花,其纖維含量接近100%。而其它植物中,纖維素含量一般占40%~65%,剩余的部分主要是半纖維素和木質(zhì)素。目前工業(yè)上纖維素主要來自于棉花、甘蔗、亞麻、木材等,其它纖維如椰殼、糠皮、玉米桿、麥稈等基本都沒有進(jìn)行利用。因此通過對(duì)這些廢棄的纖維素原料進(jìn)行化學(xué)處理制備離子交換材料,不僅可以有效利用農(nóng)作物的廢棄物,提高使用價(jià)值,而且還能解決石油化工纖維制品帶來的環(huán)境污染等問題。
纖維素離子交換材料的合成法一般可分為化學(xué)法和物理法?;瘜W(xué)法主要是過堿性溶液對(duì)纖維素進(jìn)行活化,然后再分別進(jìn)行一系列的醚化、胺化、磺化、交聯(lián)等反應(yīng)制備具有陽離子、陰離子交換性能的各種功能材料。而物理法主要是通過機(jī)械碾壓、物理沉淀、輻射等手段誘導(dǎo)纖維素與特定化學(xué)物質(zhì)在無溶劑條件下發(fā)生反應(yīng)或使特定的固體微粒進(jìn)入并固定纖維素孔道中制備纖維素離子交換材料。目前,化學(xué)法比物理法應(yīng)用比較廣泛,主要是因?yàn)榛瘜W(xué)法在溶劑條件下進(jìn)行,物料接觸面積大,體系溫度和濃度較為均勻,操作條件簡單,反應(yīng)程度易于控制。
自然界中纖維素本身具有親水基團(tuán),在水中溶液中羥基或羥基上的氫原子可以與一些重金屬陽離子或陰離子進(jìn)行離子交換,從而達(dá)到吸附富集重金屬離子的目的。但由于天然纖維素本身基團(tuán)的吸附力很弱,限制了其吸附能力。因此通過物理或化學(xué)手段對(duì)纖維素分子中的羥基進(jìn)行交聯(lián)引入其他具有某種特定吸附能力的官能團(tuán)以增加纖維素離子交換材料的吸附力及增加吸附官能團(tuán)的數(shù)量。從而提高纖維素離子交換材料的吸附性能。一般按照引入基團(tuán)的種類及吸附方式可將纖維素離子交換材料分為:(1)纖維素陰離子交換材料;(2)纖維素陽離子交換材料;(3)纖維素兩性離子交換材料;(4)纖維素螯合型交換材料。
纖維素陰離子交換材料是一類具有陰離子可以遷移的改性纖維素。通過醚化劑對(duì)纖維素進(jìn)行醚化,然后再進(jìn)行胺化制得的纖維素陰離子交換材料。由于天然纖維素沒有支鏈或支鏈短,一般直接進(jìn)行醚化和功能化的陰離子交換材料容量小。因此在對(duì)纖維素進(jìn)行醚化前,一般先對(duì)纖維素進(jìn)行接枝使其增加官能團(tuán)個(gè)數(shù),擴(kuò)大交換容量。
黃寬[7]采用稻殼為原料提取稻殼纖維素,經(jīng)過NaOH溶液活化后與環(huán)氧化丙烷反應(yīng),再經(jīng)三甲胺鹽酸鹽(65℃條件下)進(jìn)行功能化制得稻殼基陰離子交換材料。該離子交換材料在酸性環(huán)境下對(duì)直接耐曬翠藍(lán)陰離子有較好的吸附效果,且吸附效果與稻殼基陰離子交換材料的胺化溫度有關(guān)。吸附過程的控制步驟由前期的膜擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘膬?nèi)部擴(kuò)散控制。
吳仁濤[8]以Ce4+為引發(fā)劑,采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)與低粘聚陰離子纖維素(LV-PAC)進(jìn)行接枝制備陰離子交換材料,結(jié)果發(fā)現(xiàn)共聚接枝效率為 94.7%,接枝后的纖維素離子交換材料穩(wěn)定性溫度到達(dá) 389℃,比未接枝前提高了48℃。通過接枝磺酸鹽的方法可以有效的提高纖維素離子交換材料的耐熱性能。
常剛[9]在離子液體均相體系下進(jìn)行甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)與甘蔗渣纖維素進(jìn)行接枝反應(yīng)制得纖維素陰離子交換材料,并研究了引發(fā)劑用量、反應(yīng)溫度、交聯(lián)劑用量及反應(yīng)時(shí)間對(duì)纖維素接枝率的影響。在最佳工藝條件下制得的纖維素陰離子交換材料的接枝率達(dá)到 330%,對(duì)低濃度(<10.3mg/L)的氟離子有較強(qiáng)的吸附能力,吸附量達(dá)到2.6mg/g。
劉玲玲[10]對(duì)季銨化羥乙基乙氧基纖維素與聚乙醇進(jìn)行化學(xué)交聯(lián),再經(jīng)過鹽酸溶液進(jìn)行交聯(lián)改性得到改性的堿性陰離子交換膜(PVA/QHECE)。該離子交換膜能在206℃下保持穩(wěn)定性,經(jīng)過6mol/L KOH的高濃度堿性溶液進(jìn)行處理后,PVA/QHECE的膜電導(dǎo)率由4.91×10-4S/cm增大到9.68×10-4S/cm。表現(xiàn)出優(yōu)異的耐強(qiáng)堿穩(wěn)定性能,是一種很好的堿性燃燒電池用的離子交換膜材料。
陳中蘭[11]通過化學(xué)轉(zhuǎn)化法將二價(jià)和三價(jià)鐵離子轉(zhuǎn)移到自制的大孔球形纖維素基陰離子交換樹脂大孔結(jié)構(gòu)中制得帶有磁性的粉末陰離子交換樹脂(PSC-MAN)。磁化后的陰離子交換纖維素的交換容量變化很小,耐堿性強(qiáng),該磁性交換纖維素將有助于堿性廢液中的固液分離,提高分離效率。
Pavan[12]通過將鈮草酸銨水合物(NH4[NbO(C2O4)2(H2O)2]·nH2O溶解在蒸餾水中,在飽和的 NH3氣氛中與纖維素反應(yīng)制得氧化鈮纖維素(Cel/Nb2O5)。Cel/Nb2O5可以吸附H2PO4-陰離子,吸附磷酸根離子時(shí)主要是與磷酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成Nb-O-P鏈將磷酸吸附在 Cel/Nb2O5的表面,飽和吸附容量為0.3mmol/g。此外,Cel/Nb2O5吸附磷酸后可以形成一種新的氧化鈮纖維素衍生物(Cel/Nb2O5/磷酸)。Cel/Nb2O5/磷酸是一種陽性離子交換材料,對(duì) Ca2+、K+、Na+離子有較好的吸附效果,三者的飽和吸附容量分別為2.26 mmol/g、0.20 mmol/g、0.17 mmol/g。
Anirudhan[13]利用椰殼纖維素先與環(huán)氧氯丙烷進(jìn)行交聯(lián),然后再與二甲胺反應(yīng),產(chǎn)物經(jīng)過鹽酸進(jìn)行改性得到椰殼陰離子交換纖維素(CP-AE)。在中性溶液中,3g/L CP-AE對(duì)1.0mg/L As(V)酸根離子的移除率達(dá)到99.9%,顯示出CP-AE對(duì)As(V)良好的吸附效果,且常見的共存離子如Ca2+,Mg2+,Al3+,Cl-和SO2-不會(huì)對(duì)CP-AE吸收As(V)產(chǎn)生干擾,CP-AE表現(xiàn)出良好的選擇性,吸附完成后可以采用 0.1mol/L鹽酸進(jìn)行脫附。CP-AE吸附過程符合偽二階模型和Langmuir等溫模型。
纖維素的纖維上有很多羥基,通過化學(xué)手段使羥基發(fā)生酯化、醚化或氧化制得纖維素的衍生物,再與羧酸鹽、磺酸鹽和磷酸鹽等反應(yīng)制得帶有羧基、磺酸基和磷酸基等陰離子的纖維素陽離子交換材料。
解戰(zhàn)峰[14]采用稻殼為原料,經(jīng)過HNO3煮沸處理,然后與環(huán)氧氯丙烷交聯(lián),經(jīng)過濃H2SO4進(jìn)行酯化后得到纖維素硫酸單酯強(qiáng)酸性陽離子交換劑。對(duì)重金屬離子 Cu2+、Ag1+、Pb2+的飽和吸附量分別為81mg/g,172mg/g,376mg/g,且該陽離子交換材料在循環(huán)使用中表現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性能。
林佩鳳[15]用改性羧甲基纖維素(CMC)作為原料,無水乙醇作為增強(qiáng)劑,無水乙二醇作為增塑劑,在自然風(fēng)干后與8.5%FeCl3溶液進(jìn)行交聯(lián)制得疏水性陽離子交換膜 CMC-Fe。該膜能穩(wěn)定的存于酸堿溶液中,在處理高濃度的NH4+溶液時(shí),通過電滲析原理可以有效的除去廢液中90% NH4+,NH4+的遷移宏觀過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。
雷引林[16]采用纖維素黃原酸酯粘膠作為原料,以氯苯和泵油作為分相劑,按照反相懸浮熱再生法將超細(xì)的鈦白粉植入纖維素的骨架內(nèi),制得鈦白粉/纖維素的復(fù)合體微球,再與環(huán)氧氯丙烷進(jìn)行交聯(lián),一氯乙酸鈉進(jìn)行功能化制得陽離子交換吸附材料Cell-Ti CM。實(shí)驗(yàn)測(cè)試將結(jié)果表明,該陽離子交換吸附材料具有良好的擴(kuò)張床膨脹和吸附性能,對(duì)溶菌酶的吸附容量為98.7g/L,可較好的用于擴(kuò)張床吸附蛋白質(zhì)分離。
胡普州[17]采用谷糠作為原料,在硫酸中煮沸制得的谷糠纖維素經(jīng)過環(huán)氧氯丙烷交聯(lián),再與濃硫酸反應(yīng)制得谷糠纖維素強(qiáng)酸性陽離子交換劑。并測(cè)定了該強(qiáng)酸性陽離子交換材料的交換容量為2.2-2.6mmol/g。對(duì)Cu2+,Cr3+,Ni2+的飽和吸附量分別是75mg/g,62mg/g,68mg/g。用谷糠纖維素強(qiáng)酸性陽離子交換材料富集含有以上三種重金屬離子的混合液時(shí),表現(xiàn)出良好的離子交換性能,三種重金屬離子 Cu2+,Cr3+,Ni2+回收率分別為 97%,96%,97%,是一種較好的處理多離子混合廢液的交換材料。
林春香[18]將棉纖維溶解在離子液體中,與丙烯酸在硫酸銨的引發(fā)下進(jìn)行接枝共聚反應(yīng),通過反相懸浮技術(shù)制得球形陽離子交換纖維素。該文章就各種因素對(duì)制得的交換材料對(duì)Cu2+離子的吸附影響進(jìn)行分析,同時(shí)研究了吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)。結(jié)果表明:球形纖維素對(duì)Cu2+離子的等溫吸附為Langmuir吸附,在熱力學(xué)上為自發(fā)放熱過程;吸附符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,吸附過程由膜擴(kuò)散和顆粒內(nèi)部擴(kuò)散共同控制,主要發(fā)生化學(xué)吸附。
Abd-Allah[19]采用甘蔗渣為原料與環(huán)氧氯丙烷進(jìn)行交聯(lián),然后分別與 NaIO4(然后再與 NaClO2反應(yīng))、一氯乙醇和琥珀酰酐反應(yīng)得到雙羧酸纖維素、羧甲基纖維素和琥珀?;w維三種不同的纖維素陽離子交換材料。在三種離子交換材料吸附Ni2+、Cu2+、Cr3+、Fe3+的性能中,羧甲基纖維素有最佳表現(xiàn)。羧甲基纖維素在各離子濃度為50ppm的混合液中對(duì)以上四種離子的吸附容量分別為:Ni2+8.3mmol/g、Cu2+7.9 mmol/g、Cr3+6.3 mmol/g、Fe3+9.2 mmol/g。在熱力學(xué)穩(wěn)定性上,羧甲基纖維素的穩(wěn)定性最佳,穩(wěn)定溫度為 205℃,但比未進(jìn)行衍生的甘蔗渣纖維(235℃)稍差,這是因?yàn)橐氲嚼w維素上的基團(tuán)與纖維素的結(jié)合鍵能小于纖維素自身基團(tuán)之間的鍵能。
Melo[20]采用微晶纖維素與鄰苯二甲酸酐在N,N’二甲基乙酰胺溶液中反應(yīng),所得產(chǎn)物再與碳酸氫鈉進(jìn)行反應(yīng)得到鄰苯二甲酸鈉纖維素(NaCelP)。NaCelP對(duì)Co2+、Ni2+的飽和吸附容量分別為2.57±0.01mmol/g和2.31±0. 01mmol/g。同時(shí)該文章還對(duì)NaCelP吸附Co2+、Ni2+的過程熱力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明NaCelP吸附Co2+、Ni2+吸附過程均為吸熱自發(fā)吸附過程,兩種離子吸附過程的吸附熱分別為 2.11±0.28kJ/mol和 2.50±0.31kJ/mol。
Saito[21]采用棉絨纖維素在催化劑 2,2,6,6-四甲基哌啶、溴化鈉和次氯酸鈉的作用下生成含有羧酸鈉鹽和醛基的氧化纖維素(TEPO-Cel)。在中性及酸性的條件下,TEPO-Cel對(duì)重金屬離子的吸附能力大于相同條件下羧甲基纖維素的吸附能力。在離子共存的溶液中,TEPO-Cel對(duì)多數(shù)金屬離子吸附的選擇性:Pb2+>La3+>Al3+>Cu2+>Ba2+>Ni2+>Co2+>Cd2+,Sr2+, Mn2+,Ca2+>Mg2+。選擇性與羧甲基纖維素相形似。
Zhang[22]采用木纖維素與琥珀酸酐在無溶液物催化劑的條件下,通過機(jī)械碾壓而引發(fā)酯化反應(yīng)制得羧酸酯纖維素。該羧酸酯纖維對(duì) Pb2+的最大吸附容量為 421.8mg/g,進(jìn)行500mg/L的Pb2+溶液處理,Pb2+離子的去除率達(dá)到84.4%,處理效果明顯優(yōu)于原纖維素。
纖維素兩性離子交換材料是在對(duì)纖維素功能化的過程中同時(shí)嫁接上陽離子基團(tuán)和陰離子基團(tuán),使得制備的交換材料能在離子交換過程中同時(shí)進(jìn)行陰離子和陽離子的交換。
崔志敏[23]以甘蔗渣纖維素為原料,經(jīng)NaOH處理成為堿纖維素,然后與 3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨反應(yīng)制得陽離子改性纖維素,再與甲基丙烯酸反應(yīng)制得兩性離子交換纖維素。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)該兩性離子交換纖維的吸附量為28.9mg/g。在對(duì)酸性黃染料和陽離子翠蘭染料的吸附能力上比活性炭的吸附能力高出33.2%和19.7%,但在5次循環(huán)使用后再生率為70%以上。同時(shí)對(duì)Zn2+、Cu2+、Pb2+、Cr2O72-的交換能力比活性炭高7.4倍。如果解決重復(fù)使用率下降的問題,該材料將能很好的代替活性炭在染料吸附方面的應(yīng)用。
梁亞琴[24]采用二甲基烯丙基胺(DMAA)、氯乙酸鈉和次氯酸鈉為原料合成兩性中間體 3-氯-2-羥丙基二甲銨基乙酸鹽(CCDH),然后經(jīng)過干法和一步法將CCDH接枝到羥乙基纖維素(HEC)上合成帶有CCDH的HEC兩性離子交換材料(AHEC)。研究發(fā)現(xiàn)其粘度特性符合Flory-Huggins方程,AHEC的粘度與取代度成反比。AHEC在NaCl溶液中具有明顯的反聚電解質(zhì)溶液的性質(zhì),AHEC的水溶液粘度特性在不同酸堿范圍內(nèi)的表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。
聞海峰[25]采用市場(chǎng)上出售的醫(yī)用脫脂棉作為原料,經(jīng)過氫氧化鈉溶液進(jìn)行堿化處理,再與氯乙酸反應(yīng)制得羧甲基纖維素(CMC),CMC與3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨反應(yīng)得到兩性離子交換纖維素。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)該兩性離子交換纖維素抗水解、抗氧化和抗紫外光有著良好的穩(wěn)定性能。在室溫下,對(duì)有機(jī)物和重金屬等二十多種污染物的吸附檢測(cè)發(fā)現(xiàn)兩性離子交換材料對(duì)重金屬吸附量達(dá)到0.27mmol/g的有Pb2+、Ni2+、Cd2+、Cu2+、Cr3+;對(duì)水溶性的有機(jī)污染物的飽和吸附量較大的主要有:苯甲酚 0.140mmol/g,а-萘甲酸 0.12mmol/g,R鹽0.220mmol/g,2-萘磺酸 0.200 mmol/g,十二烷基苯磺酸鈉0.330 mmol/g,陽離子翠藍(lán) GB 0.540 mmol/g,堿性艷藍(lán) B 0.550 mmol/g,酸性嫩黃G 0.350 mmol/g, 酸性紅B 0.450 mmol/g。且循環(huán)使用性能穩(wěn)定,是一種治理含有多種污染物廢液的良好吸附材料。
王瑀[26]采用甘蔗渣作為原料,進(jìn)過NaOH活化,再與丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(MAETAC)三種聚合單體進(jìn)行接枝共聚反應(yīng)制備了一種甘蔗基兩性纖維素交換材料。研究發(fā)現(xiàn)該兩性離子交換材料的最佳合成工藝為:蔗渣、AA、AM、MAETAC的用量比例分別為15%、61.5%、16.9%、6.6%,用濃度為 30%的 NaOH堿化 90min,(NH4)2S2O8-NaHSO3作為引發(fā)劑為單體用量的1.8%,在70℃下進(jìn)行共聚反應(yīng)3h。該條件下制得甘蔗基兩性纖維交換材料對(duì)Cu2+的吸附量為58.53mg/g,是相同條件下甘蔗渣原料對(duì)Cu2+吸附量的12倍。
螯合型纖維素離子交換材料是以天然的纖維素等高分子化合物為載體,通過化學(xué)手段在其分子骨架上嫁接上螯合基團(tuán),通過選擇性的與溶液中不同金屬離子形成作用力大小不同的離子鍵和配位鍵,從而形成多種不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的金屬絡(luò)合物。在作為配位中心的元素中,配位能力較強(qiáng)的是硫元素和氮元素。而纖維素本身是一種帶有羥基的多孔纖維狀的結(jié)構(gòu),其表面積大,親水性強(qiáng),因此對(duì)纖維素進(jìn)行氮、硫衍生制得的螯合離子交換材料在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
(1)含硫離子螯合交換材料
含硫離子交換材料主要包括磺酸酯離子交換纖維素、巰基離子交換材料和聚硫醚類離子交換材料。
①黃原酸酯離子交換纖維素
黃原酸酯離子交換纖維素是重要的纖維素衍生物之一,主要是通過纖維素和二硫代碳或具有高反應(yīng)活性的二硫代碳酸酯在堿性的溶液中進(jìn)行反應(yīng)制得。
李小保[27]采用木漿纖維素與二硫化碳進(jìn)行反應(yīng),然后加入氯化鎂進(jìn)行鎂鹽轉(zhuǎn)型后得到黃原酸酯纖維素。用該纖維素處理含銅廢液,在PH=6~7范圍內(nèi),黃原酸酯用量為2mg/mL時(shí),處理廢液中銅的去除率高達(dá) 99%以上,是一種理想的處理銅廢液的交換材料。
柯敏[28]以甘蔗渣粉末為原料,用NaOH對(duì)其進(jìn)行堿化,然后與二硫化碳進(jìn)行反應(yīng),在通過硫酸鎂溶液進(jìn)行鎂鹽轉(zhuǎn)型得到甘蔗渣纖維素黃原酸酯。研究發(fā)現(xiàn)該甘蔗渣纖維素黃原酸酯對(duì) Cu2+和 Zn2+的吸附容量較大,分別達(dá)到 4.74mmol/g和2.87mmol/g。但經(jīng)過5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后,該纖維素磺酸酯對(duì)Cu2+的吸附容量降低率為12.7%。
周國華[29]采用煙梗作為原料,經(jīng)過NaOH堿化,二硫化碳磺化,再與氯化鎂進(jìn)行鎂鹽轉(zhuǎn)型制得煙梗纖維素黃原酸酯。優(yōu)化了制備煙梗纖維素黃原酸酯在最佳工藝條件:NaOH濃度為15%,CS2加入量為0.4mL,CS2反應(yīng)時(shí)間為3.0 h,1%MgCl2的加入量為25mL。制備的煙梗纖維素黃原酸酯對(duì)濃度為濃度為100mg/g 的Cu2+去除率高達(dá)99.84%。對(duì)其吸附動(dòng)力學(xué)的研究表明,Cu2+吸附量為 10.24 mg/g。該纖維素黃原酸用于去除Cu2+具有價(jià)格低廉、制備簡單、去除率高等優(yōu)點(diǎn)。
李秋華[30]以甘蔗渣為原料,經(jīng)過堿化,二硫化碳磺化,再經(jīng)過鎂鹽轉(zhuǎn)型得到蔗渣纖維素黃原酸酯(BCX)。對(duì)其合成條件進(jìn)行了優(yōu)化,并對(duì)30mg/LCu2+, 50mg/L Zn2+和30mg/L Pb2+的混合溶液進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)對(duì)三種離子的處理率都在96.12%以上。BCX在強(qiáng)酸性和10%的氨水中穩(wěn)定性差,經(jīng)過10%氨水洗脫后的再生率為80.12%。
孫春寶[31]以20目篩分木屑為原料,經(jīng)過NaOH堿化,CS2進(jìn)行磺化,在經(jīng)過鎂鹽轉(zhuǎn)型后制得木屑黃原酸酯(SCX)。研究了各種環(huán)境因素對(duì)SCX的重金屬處理能力的影響,發(fā)現(xiàn)在常溫下,PH值在5~10的范圍內(nèi),SCX在30min內(nèi)對(duì)Cu2+、Ni2+、Zn2+的去除率均達(dá)到98%以上。
Anriudhan[32]采用纖維素與二硫化碳進(jìn)行磺化,然后浸泡在TiO2的堿性溶液中,使TiO2嵌入到纖維素孔道里,用甲基丙烯酸縮水甘油酯和N-N’-亞甲基雙烯酰胺混溶液進(jìn)行改性,與二甲胺反應(yīng)后,可將 Fe3+負(fù)載于改性的纖維素上,制得氨基改性甲基丙烯酸縮水甘油酯嫁接致密纖維素鐵離子負(fù)載體聚合物(AM-Fe-PGDDC),5.0g/L AM-Fe-PGDDC可以將10mg/L的 F-溶液完全移除氟離子,AM-Fe-PGDDC最大吸附能力為19.39mg/g,表現(xiàn)出了優(yōu)越的吸附性能。吸附過程為放熱自發(fā)過程,符合非線性二階動(dòng)力學(xué)模型和Langmuir等溫?zé)崃W(xué)模型。
②巰基離子交換纖維素
巰基纖維素是由纖維素和巰基乙酸進(jìn)行反應(yīng)而制得。
唐志華[33]采用脫脂棉作為原料與巰基乙酸在乙酸酐和乙酸的混合液中進(jìn)行反應(yīng)制得巰基乙酸纖維素酯(SC)。研究了SC用量、時(shí)間、廢水溫度、廢水PH值對(duì)SC吸附Cu2+,Zn2+,Ni2+效果的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SC對(duì)Cu2+,Zn2+,Ni2+吸附效果是受離子半徑、極化能力和巰基纖維素空間位阻的影響。
施文健[34]對(duì)采用脫脂棉作為原料合成的巰基乙酸纖維素酯(SC)進(jìn)行含有Cd2+、Cu2+、Hg2+、Pd2+離子廢液的處理方法、機(jī)理、SC再生進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在溫室下,PH值在5-7范圍內(nèi),SC對(duì)Cd2+、Cu2+、Hg2+、Pd2+有很好的吸附性能,在吸附過程中SC主要是通過與離子發(fā)生配位、螯合等反應(yīng)和物理吸附。同時(shí)SC具有較強(qiáng)的選擇性,不吸附水中常見的共存離子 K+、N+、Ca2+、Mg2+、A13+、Fe3+、NH4+、Cl-、HSiO-、NO-、、HCO3-。采用SC處理后的重金屬工業(yè)廢水達(dá)到國家廢水排放標(biāo)準(zhǔn),SC是一種理想的處理工業(yè)廢水交換材料。
唐文清[35]以柚子皮纖維素作為原料,在乙酸酐和乙酸的介質(zhì)環(huán)境中與硫代乙醇發(fā)生酯化反應(yīng)合成巰基纖維素(SC)。研究了各種因素對(duì) SC吸附 Cu2+的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在常溫PH=6.5的條件下,0.2g的SC在2小時(shí)內(nèi)能將100mg/L的Cu2+溶液去除 98.03%的 Cu2+離子,對(duì) Cu2+的吸附容量達(dá)到24.51mg/g。同時(shí)SC對(duì)Cu2+的等溫吸附反應(yīng)符合Langmuir和Freundlich吸附方程。
易娜[36]采用脫脂棉與巰基乙酸在酸性介質(zhì)中反應(yīng)制取了巰基纖維素(SC),并采用Langmuir等溫方程進(jìn)行SC對(duì)Cr6+的吸附進(jìn)行模擬,得到SC對(duì)Cr6+的最大吸附量為63.29mg/g。而由 Freundlich等溫方程進(jìn)行吸附模擬結(jié)果表明 SC吸附Cr6+的過程主要為化學(xué)反應(yīng)。
梁莎[37]采用橘子皮作為原料,進(jìn)行堿化后與巰基乙酸進(jìn)行反應(yīng)得到一種巰基橘子皮纖維素(MOP)。研究發(fā)現(xiàn)MOP在30℃、PH=4.5的弱酸性溶液中對(duì)Pb2+的吸附容量達(dá)到最大為146.4mg/g,且重復(fù)使用性好。該吸附過程為偽二級(jí)吸附,吸附等溫線與Langmuir方程擬合度較好。
③聚硫醚離子交換纖維素
聚硫醚離子交換纖維素是由環(huán)硫類烷在堿性條件下與纖維反應(yīng)產(chǎn)生。
董綺攻[38]采用稻殼纖維素作為原料,在NaOH的條件下與氯甲基硫雜丙烷反應(yīng)合成聚硫醚型纖維素(PTEC)。PTEC對(duì)Hg2+和 Ag+有較好的吸附性能,對(duì)兩者的吸附容量分別為66.8mg/g,24.9mg/g。且體現(xiàn)了良好的催化性能。
王亞偉[39]以脫脂棉為原料在 NaOH溶液條件下與環(huán)硫氯丙烷發(fā)生醚化反應(yīng)生成聚硫醚纖維素(PTCC)。進(jìn)行了 PTCC對(duì)堿性艷藍(lán)B、堿性艷藍(lán)R和夜藍(lán)3種陽離子染料吸附性能、吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PTCC對(duì)這三種陽離子吸附效果較好,吸附量分別為726、652和320mg/g。PTCC對(duì)以上三種陽離子染料的吸附模型均為Lagergen二級(jí)等溫吸附,且吸附速率隨溫度的降低而升高;吸附過程中的熱力學(xué)函數(shù)ΔG、ΔH和ΔS均為負(fù)值,該吸附過程為自發(fā)的放熱反應(yīng),主要是通過物理吸附實(shí)現(xiàn)的。
施文健[40]采用脫脂棉進(jìn)行堿化,然后與環(huán)硫氯丙烷反應(yīng)制得聚硫醚纖維素(PTCC),并對(duì)PTCC的性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),PTCC對(duì)Hg2+、Ag+、氯化十六烷基吡啶、陽離子紅X-GRL、維多利亞艷藍(lán)BO 的吸附容量分別為364mg/g、291mg/g、219mg/g、321mg/g、373mg/g。且在對(duì)上面的離子進(jìn)行吸附時(shí),常見的共存離子的存在沒有對(duì)其吸附容量產(chǎn)生明顯的影響。此外,PTCC在抗氧化和抗紫外線照射能力均優(yōu)于其它含硫纖維素離子交換材料,即使該P(yáng)TCC在空氣中暴露一個(gè)月,其含硫量保持不變。同時(shí)該文章還研究PTCC吸附過程為Langmuir等溫吸附和Lagergren二級(jí)吸附,吸附符合單分子吸附理論。
(2)含氮離子螯合型離子交換纖維素
偕胺肟基離子交換纖維素是最為典型的含氮離子螫合型纖維素吸附材料。
黃金陽[41][42]以馬尾松漂白硫酸鹽漿纖維為原料,與丙烯腈反應(yīng)嫁接氰基團(tuán),然后進(jìn)行皂化,再與鹽酸羥胺反應(yīng)制得半皂化偕胺肟基纖維素交換材料(AOSC),該反應(yīng)中腈基轉(zhuǎn)化率為99.1%。在PH=2時(shí),AOSC對(duì)Cr6+的吸附量為95.8mg/g,Cr3+的吸附容量為49.8mg/g,Cr3+的去除率為99.5%。是一種理想處理鉻廢水的交換材料。
彭望明[43]采用甲殼素與脫脂棉為原料,在NaOH和硫脲混合液溶劑中,以5%的硫酸為絮凝劑制得含氮的甲殼素—纖維素復(fù)合物。研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合物在甲殼素:纖維素=2∶1,復(fù)合物用量為2.5、吸附溫度 40℃、溶液 PH=4.0、用量為 2.5g的條件下,對(duì)40mL 10mg/L的Hg2+的吸附率達(dá)到94.2%。
曾艷[44]以自制的環(huán)氧基稻草纖維素球?yàn)樵?,?30%二氧六環(huán)和氮?dú)獾臈l件下與開鏈氮雜冠醚[N,N’-雙(3-氨基丙基)-1,2-乙二胺]反應(yīng),成功的合成開鏈氮雜冠醚化稻草纖維素球。采用靜態(tài)吸附時(shí),該纖維素球?qū)u2+、Pb2+、Ag+的飽和吸附量分別為5.48mg/g、6.02 mg/g、4.44 mg/g,且K+,,NO3-離子對(duì)吸附不產(chǎn)生干擾。
Saliba[45]在堿性條件下,進(jìn)行纖維素與丙烯氰反應(yīng),然后再與羥胺進(jìn)行反應(yīng)制得氰乙基纖維素(CE-Cell)。CE-Cell對(duì)C2+和Cr3+的吸附能力受偕胺肟基團(tuán)的數(shù)量和溶液中離子的濃度影響。離子與偕胺肟形成1∶1的復(fù)合體會(huì)限制CE-Cell的吸附容量,可采用具有更強(qiáng)絡(luò)合作用的乙二胺四乙酸進(jìn)行陽離子脫附。
Adhinkari[46]以廢舊報(bào)紙的纖維素作為原料,在堿性環(huán)境下和環(huán)氧氯丙烷與亞氨二乙酸的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行反應(yīng)制得亞胺二乙酸報(bào)紙膠體(IDA gel)。IDA gel在酸性或弱酸性的條件下對(duì)Cu2+, Cd2+, Fe3+,Ni2+, Co2+, Pb2+有著良好的吸附性能,且對(duì)這些金屬離子的吸附選擇性順序?yàn)?Cu2+>Fe3+>Pb2+>Ni2+>Co2+>Cd2+。在兩種離子共存的廢水中,可以采用IDA gel對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)處理,將其中的一種離子先進(jìn)行吸附,然后再對(duì)另一種離子進(jìn)行分離。在PH=3的條件下,經(jīng)過循環(huán)10次的IDA gel對(duì)Cu2+的回收率仍能達(dá)到93.85%。表現(xiàn)出來良好的重復(fù)使用性能。
Shiyan Chen[47]采用細(xì)菌纖維素在堿性條件下與丙烯氰進(jìn)行反應(yīng),然后再與羥胺反應(yīng)制得偕胺肟細(xì)菌纖維素(Am-BC)。在研究Am-BC吸附Cu2+和Pb2+性能時(shí)發(fā)現(xiàn),Am-BC在弱酸性溶液中對(duì)Cu2+和Pb2+較強(qiáng)的吸附作用,兩種金屬離子的飽和吸附量分別為84mg/g和67mg/g。Am-BC吸附Cu2+和Pb2+的過程不是簡單的靜電相互作用,而是一個(gè)包含絡(luò)合作用、離子交換和靜電作用的復(fù)雜過程,并且由溶劑的酸堿值決定著哪一類作用占主導(dǎo)作用。在吸附Cu2+時(shí),主要是Cu2+與偕胺肟中的氮原子和羥基中的氧原子形成絡(luò)合物。而在吸附 Pb2+主要是形成沉淀物。
(3)其它離子螯合離子交換纖維素
楊冬梅[48]采用廢報(bào)紙作為原料提取纖維素,然后將纖維素與雙烯酮放在酸性條件下反應(yīng)制得含氧的螯合離子交換纖維素。研究了溶液PH值對(duì)螯合離子交換纖維素對(duì)Ag離子提取率的影響,發(fā)現(xiàn)螯合離子交換纖維在 PH=7.0的溶液中對(duì)Ag+的提取率高達(dá)90%以上,而當(dāng)PH值為6.0時(shí),其提取率最低。該纖維素在進(jìn)行重復(fù)使用4次后仍保持85%的提取率。
董綺功[49]采用稻殼為原料提取稻殼纖維制備纖維素氯化物,然后分別與水合肼、乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、丁二胺和己二胺反應(yīng),成了6種含氮螯合纖維素,再與環(huán)硫氯丙烷在堿性條件下進(jìn)行交聯(lián)合成6種含氮、硫的螯合纖維素,并研究了該螯合纖維素對(duì) Cu2+、Cr3+、Ni2+、Hg2+、Zn2+等離子吸附性能的研究,并發(fā)現(xiàn)該螯合對(duì)離子的吸附順序?yàn)锳g+>Hg2+>Cu2+,且對(duì) Hg2+和 Ag+的吸附容量可達(dá) 1.1mmol/g和1.9mmol/g左右,吸附完成后可用10%的氨水進(jìn)行脫附。
劉明華[50][51]以漂白硫酸鹽馬尾松漿纖維素為原料,利用熱溶膠轉(zhuǎn)相法,采用反相懸浮技術(shù),制備球形纖維素柱體,然后與丙烯氰進(jìn)行反應(yīng)引入氰基官能團(tuán),然后再與二乙烯三胺反應(yīng)制備含有 N、O的球形纖維素螯合離子交換材料(SCCA)。研究了SCCA對(duì)Cr6+、Cr3+、Ni2+的吸附性能和混合液的選擇吸附性。結(jié)果發(fā)現(xiàn) SCCA對(duì) Cr6+的吸附容量為38.53mg/g,在PH=1時(shí)對(duì)Cr6+的飽和吸附容量為53.48mg/g,但對(duì)Ni2+的吸附較弱。在Cr6+、Ni2+兩種離子共存的溶液中,SCCA的吸附選擇性吸附系數(shù)。對(duì)兩種離子的吸附都符合Langmuir吸附等溫方程,離子在吸附過程的初期速度是由表面擴(kuò)散和顆粒內(nèi)擴(kuò)散聯(lián)合控制。
Nada[52]采用棉花秸稈粉末作為原料溶解在吡啶溶液中,然后在 115℃下分別與磷酰氯、氯磺酸、磷酰氯和氯磺酸的混合物反應(yīng),分別制得磷酸鹽纖維素,磺酸鹽纖維素和磷磺化纖維素。這三種纖維素在PH=3.5的溶液中對(duì)Sr、As、Cu、Ni四種重金屬有較好的吸附能力,磷磺化纖維素的吸附能力在三種合成的纖維素材料中最強(qiáng)。磷酸鹽纖維素對(duì)Sr和As金屬離子吸附能力較強(qiáng),而磷酸鹽纖維素則對(duì)Cu和Ni金屬離子的吸附能力較強(qiáng)。
纖維素以天然的形式存在于各種植物細(xì)胞壁中,其具有來源廣泛,原料量大,可再生等優(yōu)勢(shì)。由于煤和石油的不可再生資源日益減少,使得以纖維素為載體,通過物理或化學(xué)手段引入某些特殊基團(tuán)制備纖維素離子交換材料的研究得到了快速的發(fā)展。雖然纖維素離子交換材料在水中吸附重金屬及其他污染物相關(guān)方面有很多研究,但是纖維素離子交換材料也存在著一些需要解決的問題。例如纖維素在自然界中容易降解,經(jīng)過改性制備的纖維素交換材料在不同的酸堿性條件下也存在著降解現(xiàn)象,如何改善纖維素交換材料在操作條件下的穩(wěn)定性及保持在自然界中的自然降解性能而不造成環(huán)境污染的問題將決定著纖維素是否能夠成為取代不可再生資源的理想替代品。另外,如何提高纖維素離子交換材料的交換容量、提高循環(huán)使用性能、擴(kuò)大適應(yīng)酸堿度的范圍、研發(fā)吸附性能強(qiáng)和選擇性好的官能基團(tuán)等也是應(yīng)考慮的問題。隨著這些問題的解決,纖維素離子交換材料將在水污染治理方面顯現(xiàn)出優(yōu)越的性能,必將在離子吸附材料市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位。
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