CN101862641B

CN101862641B - 水葫芦复合非织造吸附材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101862641B
Application number: CN2010102099808A
Authority: CN
Inventors: 王洪; 梁浩; 靳向煜; 殷保璞; 吴海波; 梁爽; 徐鑫; 朱雅琼; 李志鹏
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: CN101862641A

Abstract

本发明涉及一种水葫芦复合非织造吸附材料及其制备方法，该材料是由中间层为水葫芦浆粕网层与上下各层为基础纤维网层按重量百分比为30～60％∶70～40％的比例组成的非织造材料，该材料对以铜离子为代表的重金属离子的吸附能力为40％～90％。所述的水葫芦浆粕网层是经碱液煮炼、抄起、无尘干燥后形成的。所述的基础纤维具体为涤纶、粘胶或丙纶纤维中的任意一种。最后，将上述形成的水葫芦浆粕网层与由基础纤维组成的上下两层纤维网层复合，经针刺或水刺非织造加固方法，制成水葫芦复合非织造吸附材料。本方法所使用的原料来源广泛，操作简便易行，不仅解决了水葫芦污染的问题，而且将水葫芦制成复合非织吸附材料，带来可观的经济效益、生态效益和社会效益。

Description

水葫芦复合非织造吸附材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及到一种植物纤维复合非织造吸附材料及其制备方法，特别是涉及一种水葫芦复合非织造吸附材料及其制备方法。所制成的材料可作为循环利用的去除重金属离子吸附材料。

背景技术

水葫芦属单子叶植物纲(Monoco tyledoneae)，百合目(Liliflorae)，雨久花科(Pontederiaceae)，其中的纤维属于天然植物纤维。

有文献和研究表明水葫芦对重金属离子的富集与净化能力很强，可浓缩倍数由几十至上百倍，并随金属离子的不同而异。它是重金属污染水体的生态治理工程的优良植物材料，有公认的水生植物吸污之王的美称。因此，在水体净化中可以选取像水葫芦这样对重金属的净化作用比较明显，净化效果好的水生植物，同时有实验表明水葫芦在快速高效去除低浓度含铅废水、治理含镉废水和作为铜污染废水的指示性植物等方面有良好的应用前景。但是，第一，活体水葫芦吸附有自身的缺点，它只能在水中吸附重金属离子，当水中重金属离子过高时会导致水葫芦被动吸收，重金属离子堆积在水葫芦体内对其自身的新陈代谢有影响，此时重金属离子并没有被消化掉，则不能达到循环利用去除重金属离子的目的。第二，水葫芦有生长速度疯快的特点，8个月内可以从10颗猛增至60万颗，若不及时大规模的清除，则会造成堵塞航道，影响交通运输等全球性危害问题。因此，如何利用和处理该植物将其变废为宝的课题已成为当今低碳社会中人们所关心与研究的重要课题。

目前对水葫芦的处理和利用主要如下：

1通常将打捞出水的水葫芦经粉碎或打浆压滤形成饲料而被利用，但由于水葫芦中木质素纤维含量高，难于降解，饲喂畜禽适口性差，不宜消化。

2用于造纸等用途的水葫芦纤维浆，以申请号为200610036487.4水葫芦纤维浆及其制法为代表，该发明取水葫芦适量，添加一定份量水，加入氢氧化钙经打磨成浆-蒸煮-筛选-净化添加滑石粉、高岭土混合-加入钛白粉漂白-机械打成水葫芦纤维浆并应用于造纸行业的纸浆新原料。然而这发明并没有充分利用水葫芦纤维吸附重金属离子的优良性能，所提取的纤维也不能用于纺织加工。

3用于制造水葫芦人造板，以申请号为03118788.9凤眼莲纤维人造板及制备方法为代表：凤眼莲植株不经过切断，直接通过高效粗磨机的主轴螺旋绞龙强制绞入磨浆室磨解成细丝状，然后再经过高浓度磨浆机连续磨浆两次，直接形成适合人造纤维板制造的纤维浆，该发明也同样没有利用水葫芦优良的吸附重金属离子的性能，它所提取出的水葫芦纤维也不能用于纺织加工。

从上得知，现有的对水葫芦的利用与处理方法虽是解决了对水葫芦“变废为宝”的利用，形成大规模生产化，从而有效遏制了水葫芦的疯长所带来的一系列全球性的航道危害问题。然而，这些利用形式比较狭窄，仅涉及到水葫芦所含纤维素的其中一个特点，以新植物纤维素为原料应用于造纸、人造板领域。然而它们没有充分利用水葫芦的另一吸附与富集重金属离子净化污水的特殊功能。因此，如何提高水葫芦的综合利用效率以及扩大利用范围仍是目前人们所关注的热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种水葫芦复合非织造材料，以解决现有技术存在的水葫芦综合利用效率不高，应用范围不广的缺陷。本发明所制成的水葫芦复合非织造吸附材料除了具有非织造材料应有的不变形、耐撕扯并可反复使用、不产生二次污染等优良特性外，它还具有水葫芦所应有的快速、高效吸附与富集重金属离子的特有性能。因此，可作为一种优质、高效、反复循环使用的吸附和过滤材料，以满足对含有重金属污染水体进行生态治理的特殊要求。本发明不仅扩大了水葫芦纤维在非纺织领域的应用，而且还提高了水葫芦的综合利用效率，即对重金属离子污染水体的有效净化。

本发明的另一目的是提供一种水葫芦复合非织造材料的制备方法。

一种水葫芦纤维复合非织造材料是由中间层为水葫芦浆粕网层与上下各层为基础纤维网层按比例组成，经复合加固制成具有快速、高效吸附重金属离子能力并可反复使用的复合非织造材料，其材料厚度为1～10mm，面密度为30～500克/平方米，对以铜离子为代表的重金属离子的吸附能力为40％～90％。

所述的水葫芦浆粕网层为干状水葫芦先经碱液煮炼后，将所提取的水葫芦纤维抄起形成湿网层，最后经无尘干燥形成厚度为0.1～5mm、面密度为10～300克/平方米的水葫芦浆粕网。

所述的基础纤维具体为涤纶、粘胶或丙纶纤维中的任意一种，经过试验发现上述三种纤维与水葫芦纤维彼此间有很好的复合性和稳定性。其网层厚度为2～40mm、面密度为10～100克/平方米。

所述的水葫芦浆粕网层与基础纤维网层的重量百分比为30～60％∶70～40％。

一种水葫芦纤维复合非织造吸附材料的制备方法是以干状水葫芦为原料，先经过碱液煮炼的方法制得含水葫芦纤维的浆粕，再将其干燥后制成水葫芦浆粕网层，与由基础纤维组成的上下两层纤维网层一起复合，形成“三明治结构”的复合网层结构，最后经针刺或水刺非织造加固方法，制成优质、高效且可循环使用的水葫芦复合非织造吸附材料，具体步骤如下：

A、水葫芦的前处理

将打捞出水的鲜水葫芦晾至含水率为5％～10％后，取其茎部，沿纵向将其切割，形成长短为10cm～15cm的细条干状水葫芦；

B.水葫芦浆粕的提取

(1)碱液煮炼

现将步骤A所得的干状水葫芦按比例浸入初始温度为20℃的碱液煮炼液内，并以升温速度为2～5℃/分搅拌升温至95～100℃，然后，经恒温煮炼1～1.5小时后，最后用水冲洗5～10次至中性，得到悬浮于水中的水葫芦纤维，所述的水葫芦与碱液煮炼液的重量比为1∶15～1∶25，所述的碱液煮炼液的配制具体为：称取4～5g的NaOH、1.5～2.5g亚硫酸钠和1.5～2.5g多聚磷酸钠，放入1升水中，配制得碱液煮炼液；

(2)水葫芦浆粕的制备

采用60～100目筛网将步骤B-(1)经碱液煮炼后悬浮于水中的水葫芦纤维抄起形成湿网层，然后采用60～100℃热风进行无尘干燥，即得到厚度为0.1～5mm、面密度为10～300克/平方米的水葫芦浆粕网层；

C.水葫芦网层复合加固

先取由涤纶、粘胶或丙纶纤维所组成的基础纤维中的任意一种，采用机械铺网的方式制得两个厚度为2～40mm、面密度为10～100克/平方米的单层基础纤维网，再将步骤B-(2)所得的水葫芦浆粕网层放入两个单层基础纤维网中间，并将其三层网层同时放入针刺机或水刺机上进行复合加固，所述的水葫芦浆粕网层与两层基础纤维网层的重量百分比为30～60％∶70～40％；

所述的复合网层结构与非织造针刺或水刺的加工特点均保证了水葫芦复合材料有良好的成形性、耐撕扯性，并在作为吸附和过滤材料反复利用时，其中水葫芦纤维仍不易流失，不易变形，且能充分发挥水葫芦原有的吸附重金属离子的特殊功能；

所述的针刺工艺为：预针刺道数为1，针板植针密度为2000针/m～3000针/m，预针刺频率为300～500刺/min；主针刺正反道数为2～5，针板植针密度为4000针/m～6000针/m，主针刺频率为800～1200刺/min。

所述的水刺工艺为：采用正、反面各2～4次共4～8道水刺加固，每道水刺压力为10～100bar，输网帘的速度设为2～100m/min。D.将步骤C已复合加固的单网层的“三明治结构”的复合非织造吸附材料按品种所需规格分切、成卷制成所需要的优质、高效且可循环使用的水葫芦复合非织造吸附材料，所得材料其厚度为1～10mm，面密度为30～500克/平方米，对以铜离子为代表的重金属离子的吸附能力为40％～90％。

水葫芦复合非织造材料吸附重金属离子性能的测试方法，具体如下：将1克水葫芦复合非织造吸附材料放在一定浓度的CuSO₄溶液中，1小时后取出，测量其溶液含Cu离子浓度的变化程度，即以CuSO₄溶液中Cu离子浓度下降的百分比来表示吸附重金属离子性能的强弱程度。

吸附重金属离子后的水葫芦复合非织造材料可以通过常规的反吸附方法，将其吸附的重金属离子从材料中脱离出来，使原有的水葫芦复合非织造材料再次循环使用。

本发明的优点：

本发明提供了一种水葫芦复合非织造吸附材料，不仅可以将污染水域的水葫芦去除并有效利用，变废为宝，解决了水葫芦造成的水域污染问题，改善了生态环境，而且利用水葫芦具有很强的吸附重金属特性所制成的水葫芦复合非织造吸附材料，在做吸附和过滤材料时又可通过反吸附的方法来循环利用，带来可观的经济效益、生态效益和社会效益；本制备方法所使用的原料来源广泛，操作简便易行，成本低。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

根据本发明的水葫芦复合非织造材料吸附重金属离子性能的测试方法的原理，对如下实施例具体制定如下：将1克水葫芦复合非织造材料放在1升浓度为8.05mol/L的CuSO₄中，一个小时后取出测量CuSO₄溶液中Cu离子浓度下降的重量百分比，定为该材料吸附重金属离子性能的程度。

实施例1

将打捞出水的鲜水葫芦晾至含水率为5％后，取其茎部，沿纵向将其切割，形成长为10cm的细条干状水葫芦。将上述干状水葫芦放入初始温度为20℃的碱液煮炼，并以升温速度为2℃/min搅拌升温至95℃，然后，经恒温煮炼1小时后，最后用水冲洗10次至中性，得到悬浮于水中的水葫芦纤维，其中水葫芦与碱液煮炼液的重量比为1∶15；另称取4g的NaOH、1.5g亚硫酸钠和1.5g多聚磷酸钠，放入1升水中，配制得碱液煮炼液。

采用60目筛网将上述经碱液煮炼后悬浮于水中的水葫芦纤维抄起形成湿网层，然后采用70℃热风进行无尘干燥，即得到厚度为1mm、面密度为20克/平方米的水葫芦浆粕网层。

取涤纶纤维，采用机械铺网的方式制得两个厚度为5mm、面密度为20克/平方米的单层基础纤维网，再将水葫芦浆粕网层放入两个单层基础纤维网中间，其中水葫芦浆粕网层与两层基础纤维网层的重量百分比为33％∶67％；然后将其三层网层同时放入针刺机上进行复合加固，其中针刺工艺参数为：预针刺道数为1，针板植针密度为2000针/m，预针刺频率为400刺/min；主针刺正反道数为4，针板植针密度为4000针/m，主针刺频率为800刺/min。

将复合加固的单网层的“三明治结构”的复合非织造吸附材料按品种所需规格分切、成卷制成所需要的优质、高效且可循环使用的厚度为2mm、面密度为60克/平方米水葫芦复合非织造吸附材料，经测试水葫芦复合非织造材料吸附重金属离子的能力为45％。

实施例2

将打捞出水的鲜水葫芦晾至含水率为8％后，取其茎部，沿纵向将其切割，形成长为15cm的细条干状水葫芦。将上述干状水葫芦放入初始温度为20℃的碱液煮炼，并以升温速度为4℃/min搅拌升温至98℃，然后，经恒温煮炼1.5小时后，最后用水冲洗8次至中性，得到悬浮于水中的水葫芦纤维，其中水葫芦与碱液煮炼液的重量比为1∶20；另称取4.5g的NaOH、2.0g亚硫酸钠和2.0g多聚磷酸钠，放入1升水中，配制得碱液煮炼液。

采用80目筛网将上述经碱液煮炼后悬浮于水中的水葫芦纤维抄起形成湿网层，然后采用80℃热风进行无尘干燥，即得到厚度为2mm、面密度为100克/平方米的水葫芦浆粕网层。

取粘胶纤维，采用机械铺网的方式制得两个厚度为20mm、面密度为55克/平方米的单层基础纤维网，再将水葫芦浆粕网层放入两个单层基础纤维网中间，其中水葫芦浆粕网层与两层基础纤维网层的重量百分比为50％∶50％；然后将其三层网层同时放入针刺机上进行复合加固，其中针刺工艺参数为：预针刺道数为1，针板植针密度为2500针/m，预针刺频率为300刺/min；主针刺正反道数为5，针板植针密度为6000针/m，主针刺频率为1200刺/min

复合加固的单网层的“三明治结构”的复合非织造吸附材料按品种所需规格分切、成卷制成所需要的优质、高效且可循环使用的厚度为5mm、面密度为210克/平方米水葫芦复合非织造吸附材料，经测试水葫芦复合非织造材料吸附重金属离子的能力为70％。

实施例3

将打捞出水的鲜水葫芦晾至含水率为10％后，取其茎部，沿纵向将其切割，形成长为15cm的细条干状水葫芦。将上述干状水葫芦放入初始温度为20℃的碱液煮炼，并以升温速度为5℃/min搅拌升温至100℃，然后，经恒温煮炼1.5小时后，最后用水冲洗10次至中性，得到悬浮于水中的水葫芦纤维，其中水葫芦与碱液煮炼液的重量比为1∶25；另称取5g的NaOH、2.5g亚硫酸钠和2.5g多聚磷酸钠，放入1升水中，配制得碱液煮炼液。

采用100目筛网将上述经碱液煮炼后悬浮于水中的水葫芦纤维抄起形成湿网层，然后采用100℃热风进行无尘干燥，即得到厚度为5mm、面密度为300克/平方米的水葫芦浆粕网层。

取丙纶纤维，采用机械铺网的方式制得两个厚度为40mm、面密度为100克/平方米的单层基础纤维网，再将水葫芦浆粕网层放入两个单层基础纤维网中间，其中水葫芦浆粕网层与两层基础纤维网层的重量百分比为60％∶40％；然后将其三层网层同时放入水刺机上进行复合加固，其中水刺工艺参数为：采用正反面各3次共6道水刺加固，3次水刺压力分别为20bar、40bar、60bar，输网帘的速度设为10m/min。

复合加固的单网层的“三明治结构”的复合非织造吸附材料按品种所需规格分切、成卷制成所需要的优质、高效且可循环使用的厚度为10mm、面密度为500克/平方米水葫芦复合非织造吸附材料，经测试水葫芦复合非织造材料吸附重金属离子的能力为90％。

Claims

1.一种水葫芦复合非织造吸附材料，其特征在于：该材料是由中间层为水葫芦浆粕网层与上下各层为基础纤维网层按比例组成，经复合加固制成具有吸附重金属离子能力并可反复使用的复合非织造材料，其材料厚度为1～10mm，面密度为30～500克/平方米，对以铜离子为代表的重金属离子的吸附能力为40％～90％。

2.根据权利要求1所述的水葫芦复合非织造吸附材料，其特征在于：所述水葫芦浆粕网层为干状水葫芦先经碱液煮炼后，将所提取的水葫芦纤维抄起形成湿网层，最后经无尘干燥形成厚度为0.1～5mm、面密度为10～300克/平方米的水葫芦浆粕网层。

3.根据权利要求1所述的水葫芦复合非织造吸附材料，其特征在于：所述的基础纤维具体为涤纶、粘胶或丙纶纤维中的任意一种，其单网层厚度为2～40mm、面密度为10～100克/平方米。

4.根据权利要求1所述的水葫芦复合非织造吸附材料，其特征在于：所述的水葫芦浆粕网层与两层基础纤维网层的重量百分比为30～60％∶70～40％。

5.根据权利要求1所述的一种水葫芦复合非织造吸附材料的制备方法，其特征在于：是以干状水葫芦为原料，先经过碱液煮炼的方法制得含水葫芦纤维的浆粕，再将其干燥后制成水葫芦浆粕网层，与由基础纤维组成的上下两层纤维网层一起复合，形成“三明治”复合网层结构，最后经针刺或水刺非织造加固方法，制成可循环使用的水葫芦复合非织造吸附材料，具体步骤如下：

A、水葫芦的前处理

B、水葫芦浆粕的提取

(1)碱液煮炼

现将步骤A所得的干状水葫芦按比例浸入初始温度为20℃的碱液煮炼液内，并以升温速度为2～5℃/分搅拌升温至95～100℃，然后，经恒温煮炼1～1.5小时后，最后用水冲洗5～10次至中性，得到悬浮于水中的水葫芦纤维；

(2)水葫芦浆粕的制备

C、水葫芦网层复合加固

先取由涤纶、粘胶或丙纶纤维所组成的基础纤维中的任意一种，采用机械铺网的方式制得两个厚度为2～40mm、面密度为10～100克/平方米的单层基础纤维网，再将步骤B-(2)所得的水葫芦浆粕网层放入两个单层基础纤维网中间，其中水葫芦浆粕两层与两层基础纤维网层的重量百分比为30～60％∶70～40％，并将其三层网层同时放入针刺机或水刺机上进行复合加固；

D、将步骤C已复合加固的单网层的“三明治结构”的复合非织造吸附材料按品种所需规格分切、成卷制成所需要的优质、高效且可循环使用的水葫芦复合非织造吸附材料，所得材料其厚度为1～10mm，面密度为30～500克/平方米，对以铜离子为代表的重金属离子的吸附能力为40％～90％。

6.根据权利要求5所述的吸附材料的制备方法，其特征在于：所述的水葫芦与碱液煮炼液的重量比为1∶15～1∶25；所述的碱液煮炼液的配制具体为：称取4～5g的NaOH、1.5～2.5g亚硫酸钠和1.5～2.5g多聚磷酸钠，放入1升水中，配制得碱液煮炼液。

7.根据权利要求5所述的吸附材料的制备方法，其特征在于：所述的针刺工艺为：预针刺道数为1，针板植针密度为2000针/m～3000针/m，预针刺频率为300～500刺/min；主针刺正反道数为2～5，针板植针密度为4000针/m～6000针/m，主针刺频率为800～1200刺/min。

8.根据权利要求5所述的吸附材料的制备方法，其特征在于：所述的水刺工艺为：采用正反面各2～4次共4～8道水刺加固，每道水刺压力为10～100bar，输网帘的速度设为2～100m/min。