黃穎瑩

(上海復(fù)綠環(huán)境科技有限公司，上海 200070)

吸附法是去除環(huán)境中污染物最為快捷有效的方法之一，環(huán)境吸附材料包括多孔吸附材料、無(wú)孔吸附和納米吸附材料，有活性炭、吸附樹(shù)脂、纖維材料、石墨烯等。其中，天然高分子纖維素是重要的一種環(huán)境凈化吸附材料，通過(guò)對(duì)纖維素上的官能團(tuán)進(jìn)行改性，使其具有較強(qiáng)的吸附能力和再生能力。改性纖維素的穩(wěn)定性高、吸附選擇性特殊、利用成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)使其成為環(huán)境吸附材料的一個(gè)重要發(fā)展方向[1-2]。

1 纖維素簡(jiǎn)介

1.1 纖維素簡(jiǎn)介

纖維素是一種纖維狀、多毛細(xì)管的天然高分子聚合物，它的分子內(nèi)含有許多親水性的羥基基團(tuán)，還具有多孔和比表面積大的特性。同時(shí)它還是地球上最豐富的可再生資源，大量地存在植物的木質(zhì)部中，具有價(jià)廉、可降解性和對(duì)生態(tài)環(huán)境不產(chǎn)生污染等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的纖維素有棉花、甘蔗渣、稻谷殼和其他一些植物秸稈[3]。

1.2 纖維素的改性

天然纖維素是由D-吡喃葡萄糖經(jīng)β-1,4糖苷鍵組成的直鏈多糖，分子內(nèi)含有許多親水性的羥基基團(tuán)。纖維素改性方法有物理法和化學(xué)法，常用的是化學(xué)法。纖維素的化學(xué)改性通常是在纖維素的羥基上接入有吸附能力的官能團(tuán)，使纖維素具有不同的功能特性，主要的方法有：醚化、酯化和接枝共聚等。改性的纖維素可用作吸附材料、可生物降解材料、纖維液晶材料和高性能纖維材料等[4]。

2 纖維素吸附劑

根據(jù)所帶的官能團(tuán)的不同，通過(guò)化學(xué)改性的纖維素吸附劑通常分為陰離子纖維素吸附劑和陽(yáng)離子纖維素吸附劑兩大類，在環(huán)境污染治理方面，能夠用于吸附水中帶正電荷的重金屬離子和帶磺酸基、羥基、羧基等陰離子基團(tuán)的水溶性有機(jī)物，還有一些改性纖維素可以用于吸附含氯的農(nóng)藥殘余物和脫氮等等[5]，總的來(lái)說(shuō)，纖維素吸附劑在環(huán)境污染治理有很大的應(yīng)用前景。

2.1 陰離子纖維素吸附劑

通過(guò)羥基衍生化反應(yīng)，在纖維素的羥基上接入對(duì)陽(yáng)離子具有吸附能力的陰離子基團(tuán)，從而得到陰離子纖維素吸附劑。這類吸附劑在環(huán)境保護(hù)特別是吸附重金屬方面的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛[3,6-8]。

很多研究主要通過(guò)聚合和交聯(lián)反應(yīng)，在纖維素中引入陰離子官能團(tuán)，從而達(dá)到改性的目的。楊瑤等采用市售脫脂棉與環(huán)硫氯丙烷在堿存在的條件下進(jìn)行反應(yīng)。通過(guò)開(kāi)環(huán)聚合接枝反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng)制成了聚硫醚型離子交換纖維。其主要化學(xué)反應(yīng)過(guò)程有：

纖維素的很多衍生物，如醋酸纖維素等，也可以通過(guò)改性成為吸附材料，李杰等[12]通過(guò)磺甲基化反應(yīng)，對(duì)羧甲基纖維素進(jìn)行酰胺基改性，使其帶上磺酸基，成為陰離子吸附材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種材料對(duì)鉛離子有很好的吸附性能，在一定條件下脫除率可達(dá)95%，1 g樹(shù)脂可吸附2.7 mg鉛。

很多含氮硫改性纖維具有很大的吸附容量，卻有吸附選擇性較差的缺陷。楊發(fā)福等[13]研究了纖維素多乙烯多胺衍生物與1,3-二環(huán)氧丙基杯芳烴反應(yīng)后制備螯合樹(shù)脂杯芳香烴接枝樹(shù)脂的方法，該材料結(jié)合了杯芳香烴很優(yōu)異的離子識(shí)別性能的特點(diǎn)和纖維素吸附性能的優(yōu)勢(shì)，研究結(jié)果表明，得到的產(chǎn)品對(duì)Ni2+離子有很高的吸附選擇性，并且吸附容量較高，可以用氨水解吸附，有很好的重復(fù)使用性。

2.2 陽(yáng)離子纖維素吸附劑

通過(guò)羥基衍生化反應(yīng)，在纖維素的羥基上接入對(duì)陰離子有吸附能力的基團(tuán)，從而得到陰離子纖維素吸附劑。陽(yáng)離子纖維素材料廣泛應(yīng)用于印染工業(yè)、制糖工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)等領(lǐng)域，在環(huán)境治理方面的應(yīng)用研究較少。

孫瀟等[14]研究了甘蔗渣經(jīng)堿化后與3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨反應(yīng)，得到蔗渣改性脫色劑的制備方法，研究結(jié)果表明該材料對(duì)蔗汁中帶負(fù)電荷的色素具有不錯(cuò)的吸附效果。呂麗華等[15]的研究表明，纖維織物經(jīng)陽(yáng)離子改性劑3-氯-2-羥丙基三甲基硫酸銨改性后，再用染料進(jìn)行染色，染色織物的各項(xiàng)指標(biāo)均較好，染色性能有明顯改善。王少敏等[16]提出硝化纖維素與3-氯-2羥丙基三甲基氯化銨反應(yīng)制備得到的季銨型硝化纖維素吸附劑，對(duì)一種腎毒性物質(zhì)-肌酐有較好的吸附性能，可以用于治療慢性腎功能衰竭。

目前，部分學(xué)者開(kāi)展了陽(yáng)離子纖維素吸附劑在污水治理中的研究。張玉霞等[17]提出以芝麻桿纖維素為原料，經(jīng)堿化后與三乙胺鹽酸鹽發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程如下：

研究結(jié)果表明，通過(guò)該方法改性后的陽(yáng)離子纖維素對(duì)水體中的苯胺具有較好的吸附效果，由實(shí)驗(yàn)可知，該吸附材料對(duì)工業(yè)廢水中的苯胺的去除率可達(dá)93.2%，且可使用丙酮對(duì)吸附苯胺后的材料進(jìn)行解吸，解吸率高于85%。

2.3 兩性纖維素吸附劑

2.4 其他纖維素吸附劑

此外，針對(duì)含氯的有機(jī)農(nóng)藥對(duì)水體的污染，也研發(fā)了很多纖維素吸附劑，這類纖維素吸附劑的機(jī)理比較復(fù)雜，除了離子的吸附機(jī)理以外，還有改性纖維素對(duì)大分子物質(zhì)的范德華力的吸附作用，以及親酯基團(tuán)的相互吸引作用。代瑞華等的研究表明，醋酸纖維素經(jīng)丙酮溶解后，滴入液體冷卻劑中，制成球形吸附劑，該吸附劑外表面是一層致密的醋酸纖維素膜，內(nèi)部為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該吸附劑對(duì)水中親脂性的有機(jī)物具有較高的吸附效能，對(duì)水中狄試劑、艾氏劑、異狄試劑、七氯4種有機(jī)氯農(nóng)藥有較強(qiáng)的吸附能力，12 h后去處率均達(dá)到85%以上，并且對(duì)艾氏劑、七氯具有很快的吸附速度，0.5 h后去除率可達(dá)99%[20]。Sami等[21]采用纖維素與含有C6、C8、C12的脂肪酸酐通過(guò)?；又?，這種改性后的纖維對(duì)氯苯、1,4-二氯苯、硝基苯、1,3,4-三氯苯、喹等有機(jī)物有很好的吸附效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，這種吸附材料可以再生，循環(huán)使用十次后仍然保持其對(duì)有機(jī)物的吸附容量，是一種具有優(yōu)異循環(huán)使用性能的材料。

3 纖維素吸附劑的發(fā)展方向

纖維素吸附材料具有比表面積大、價(jià)格低廉、可再生、使用方便等特點(diǎn)，是一種表現(xiàn)良好的環(huán)境功能材料，其在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)對(duì)纖維素吸附材料的進(jìn)一步鉆研與開(kāi)發(fā)，纖維素吸附材料在環(huán)保領(lǐng)域中將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。主要發(fā)展方向有：

(1)在纖維素的衍生物基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的改性，制備新的高吸附性能的材料。

(2)結(jié)合其他有吸附性能材料，聯(lián)合制備具有綜合優(yōu)良吸附性能的新材料。

(3)結(jié)合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在原材料選用、產(chǎn)品的循環(huán)使用方面完善。

4 結(jié) 語(yǔ)

吸附材料是重要的環(huán)境功能材料之一，在環(huán)境污染治理方面發(fā)揮著重要的作用。纖維素吸附材料具有原料資源豐富、成本低、吸附能力強(qiáng)、可再生利用、無(wú)毒可降解等明顯優(yōu)勢(shì)，具有良好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。但是，纖維素吸附材料仍存在一些缺陷，例如纖維素吸附材料對(duì)污染物的吸附能力受pH、溫度等因素的影響較大，因此適用范圍較窄，且需進(jìn)一步研究纖維素吸附材料的解吸技術(shù)，提高再生能力，減少二次污染[22]。近年來(lái)，我國(guó)乃至全世界對(duì)環(huán)保問(wèn)題越來(lái)越重視，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題亟待解決，通過(guò)對(duì)環(huán)境功能材料改性纖維素的不斷深入研究，纖維素吸附材料將越來(lái)越受歡迎，其在環(huán)境治理中將具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景。