CN105688839A - 一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，将纳米纤维素纤维在电压220V～380V下，经氩等离子体处理10s～180s后，立即放入一定浓度的戊二醛水溶液中,取一定量质量比浓度为10％的多氨基化合物水溶液，加入到上述混合体系中，60℃～100℃继续搅拌反应30min～240min，过滤、洗涤，60℃～90℃下烘干至恒重，得到多氨基化合物改性纳米纤维素纤维。本发明以纳米纤维素纤维为主要原料，制备改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料，原料易于制备，具备可再生性、可降解性、高效吸附性，安全环保，无二次污染，并使未被充分利用或废弃的资源得以有效利用。

Description

一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种重金属吸附材料的制备方法，具体涉及一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法，属于材料改性加工领域。
背景技术
随着工业的发展，出现了许多引起重金属污染的行业，如电镀、金属加工、印染、蓄电池、金属冶炼、采矿等行业，都是重金属污染的源头。这些行业所产生的污水含有大量的重金属，排入河流、湖泊等水体带来了严重的重金属污染。重金属污染对人类的健康构成严重威胁，会引起一系列失调及疾病，如破坏儿童的神经系统；损坏人体的肺、肾脏、肝脏、消化道等；致癌及人体畸变；引起腹绞痛、中毒性脑炎、神经衰弱等。因此，从水体中移除重金属就显得十分重要。目前，用于重金属处理的方法主要有化学沉淀法、活性炭吸附法、离子交换法、吸附法等。吸附法被看作是最有前途并被广泛研究的一种方法。纤维素及其衍生物可以进行静电纺丝，制备纳米纤维素纤维。静电纺丝法制备的纳米纤维，由于具有比表面积大、孔径小、孔隙率高、吸附能力强等优点，是一种很好的吸附材料。将改性纳米纤维素纤维应用于重金属吸附领域，对开拓纤维素的应用，具有重要意义。
纤维素作为天然可再生的、环境友好无污染的、地球上最丰富的一种资源，为人类社会的发展起到了重要的作用。纤维素全球年产量超过1000亿吨，但目前被人类利用的纤维素，占地球上总纤维素的比例不到10％，绝大多数的纤维素资源未被利用或未被充分利用，如各种植物秸秆、木材的焚烧，大量破旧衣物的废弃等，不仅污染了环境，更造成了资源的巨大浪费。因此，对纤维素资源及其衍生物产品的研究、开发利用，具有重要的现实意义。
纤维素及其衍生物大分子中含有大量的极性基团，易于物理或化学修饰，且纳米纤维素纤维具有比表面积大、多微孔结构，具有很好的重金属吸附潜力。改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料即通过高能粒子处理、交联和接枝共聚中的一种或多种反应对纳米纤维素纤维进行改性，而得到的具有丰富氨基官能团的、可用于水体重金属吸附的改性纳米纤维素纤维。通过对纤维素大分子中活性官能团的改性，引入具有良好重金属吸附性能的官能团，使其具有更高的重金属吸附能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法，它方法简单、吸附效果优异。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按纳米纤维素纤维与去离子水1:20～1:100的浴比，将去离子水加入三角烧瓶中，按纳米纤维素纤维和25％的戊二醛水溶液1:2～1:10的质量比，将戊二醛水溶液滴加至上述含去离子水的烧瓶中，60℃～100℃搅拌30min～60min，备用。
(2)将纳米纤维素纤维置于氩等离子体气氛中，电压220V～380V，等离子体处理时间10s～180s，得到氩等离子体改性纳米纤维素纤维。
(3)将氩等离子体改性纳米纤维素纤维放入上述装有混合液的三角烧瓶中，取质量比浓度为10％的多氨基化合物水溶液，按纳米纤维素纤维和多氨基化合物水溶液1:20～1:100的质量比，加入到上述混合体系中，60℃～100℃继续搅拌反应30min～240min，过滤取出反应产物，用去离子水充分洗涤，60℃～90℃下烘干至恒重，得到多氨基化合物改性纳米纤维素纤维。
作为本发明的进一步技术方案：前述纤维素选自天然纤维素类纤维及制品、纤维素类植物或材料，以及纤维素的各种衍生物。
作为本发明的进一步技术方案：前述天然纤维素纤维及制品为棉、麻及各种天然韧皮纤维，前述纤维素类植物或材料为各种植物秸秆或木材、微晶纤维素，前述纤维素的各种衍生物为纤维素发生酯化或醚化反应后的生成物。
作为本发明的进一步技术方案：前述多氨基化合物为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺及其合成的多氨基超支化聚合物、多氨基树形聚合物。
作为本发明的进一步技术方案：前述反应介质为去离子水、甲醇、乙醇、丙醇中的一种或多种。
本发明的有益效果在于：
(1)以纳米纤维素纤维为主要原料，制备改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料，原料易于制备，具备可再生性、可降解性、高效吸附性，安全环保，无二次污染，并使未被充分利用或废弃的资源得以有效利用；
(2)通过两步法即可实现纳米纤维素纤维的氨基化改性，工艺简单，操作方便，适合规模化生产，有很好的工业化推广前景；
(3)制备得到的多氨基改性纳米纤维素纤维亲水性好，材料轻便并含大量微孔，对重金属离子的吸附能力强，能够有效净化重金属污染的水体。
附图说明
图1是本发明的实施例1所得纳米纤维素纤维与多氨基改性纳米纤维素纤维的红外光谱对照图；
图2是本发明的实施例1所得纳米纤维素纤维与多氨基改性纳米纤维素纤维的X射线光电子能谱对照图；
图3是本发明的实施例1所采用的纳米纤维素纤维的扫描电镜图；
图4是本发明的实施例1所得多氨基改性纳米纤维素纤维的扫描电镜图；
图5是本发明的实施例1所得纳米纤维素纤维与多氨基改性纳米纤维素纤维对Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)吸附实物图；
图6是本发明的实施例1所得纳米纤维素纤维与多氨基改性纳米纤维素纤维对Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)吸附的吸附量比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
纤维素及其衍生物大分子中含有大量的活性官能团，通过高能粒子改性、化学改性、接枝等反应在活性官能团部位引入对能与重金属结合的化学基团，生成具有较强重金属吸附能力的重金属吸附材料。将纳米纤维素纤维经氩等离子体处理后，利用戊二醛作为交联剂，将多氨基化合物(如二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺及其合成的多氨基超支化聚合物、多氨基树形聚合物等)与纳米纤维素纤维接枝交联，将多氨基化合物引入到纳米纤维素纤维的化学结构中，增强纳米纤维素纤维对重金属离子的吸附能力。
请参阅图1～6，本发明中，
(1)按纳米纤维素纤维与去离子水1:20～1:100的浴比，将去离子水加入三角烧瓶中，按纳米纤维素纤维和25％的戊二醛水溶液1:2～1:10的质量比，将戊二醛水溶液滴加至上述含去离子水的烧瓶中，60℃～100℃搅拌30min～60min，备用。
(2)将纳米纤维素纤维置于氩等离子体气氛中，电压220V～380V，等离子体处理时间10s～180s，得到氩等离子体改性纳米纤维素纤维。
(3)将(2)所得氩等离子体改性纳米纤维素纤维放入上述装有混合液的三角烧瓶中，取质量比浓度为10％的多氨基化合物水溶液，按纳米纤维素纤维和多氨基化合物水溶液1:20～1:100的质量比，加入到(1)所得混合体系中，60℃～100℃继续搅拌反应30min～240min，过滤取出反应产物，用去离子水充分洗涤，60℃～90℃下烘干至恒重，得到多氨基化合物改性纳米纤维素纤维。
实施例1，
在装有5mL蒸馏水的锥形瓶中滴加0.3mL浓度为25％的戊二醛水溶液，升温至70℃，保温30min；将0.1g二醋酸纤维素纳米纤维经氩等离子体处理(225V，30s)后，快速放入锥形瓶中，机械搅拌，然后再滴加3mL浓度为100g/L的多氨基超支化聚合物水溶液，滴加后70℃下继续反应180min，得到黄褐色的多氨基改性的纳米纤维素纤维。过滤，洗涤，烘干。
实施例2，
在装有5mL蒸馏水的锥形瓶中滴加0.3mL浓度为25％的戊二醛水溶液，升温至70℃，保温30min；将0.1g二醋酸纤维素纳米纤维经氩等离子体处理(225V，30s)后，快速放入锥形瓶中，机械搅拌，然后再滴加5mL四乙烯五胺溶液，滴加后70℃下继续反应180min，得到黄褐色的多氨基改性的纳米纤维素纤维。过滤，洗涤，烘干。
实施例3，
在装有5mL蒸馏水的锥形瓶中滴加0.3mL浓度为25％的戊二醛水溶液，升温至70℃，保温30min；将0.1g二醋酸纤维素纳米纤维经氩等离子体处理(225V，30s)后，快速放入锥形瓶中，机械搅拌，然后再滴加5mL三乙烯四胺溶液，滴加后70℃下继续反应180min，得到黄褐色的多氨基改性的纳米纤维素纤维。过滤，洗涤，烘干。
实施例4，
在装有5mL蒸馏水的锥形瓶中滴加0.3mL浓度为25％的戊二醛水溶液，升温至70℃，保温30min；将0.1g二醋酸纤维素纳米纤维经氩等离子体处理(225V，30s)后，快速放入锥形瓶中，机械搅拌，然后再滴加5mL二乙烯三胺溶液，滴加后70℃下继续反应180min，得到黄褐色的多氨基改性的纳米纤维素纤维。过滤，洗涤，烘干。
材料和性能检测(以实施例1为例)
采用红外光谱仪对改性前纳米纤维素纤维(曲线A)和多氨基改性后的纳米纤维素纤维(曲线B)进行红外光谱测试，谱图参见图1。由图1可见，多氨基超支化聚合物改性后的纳米纤维素纤维在吸收频率3500～3100cm-1之间有个很宽的吸收峰，即为游离-NH2、-NH和缔合-NH2、-NH重叠所形成的N-H伸缩振动吸收峰；在吸收频率1637.34cm-1处出现了C＝N的特征吸收峰，证实了戊二醛和氨反应生成席夫碱；在吸收频率1558.27cm-1处出现了伯胺的N-H弯曲振动吸收峰，证实了改性后的多氨基纳米纤维素纤维有伯胺的存在；在吸收频率为1157.13cm-1处和1114.70cm-1处吸收峰的强度变大，此处正是有机胺的C-H伸缩振动峰所在的位置，进一步证实了多氨基超支化聚合物已经成功接枝到纳米纤维素纤维上。
采用X射线光电子能谱对改性前纳米纤维素纤维(曲线A)和多氨基改性后的纳米纤维素纤维(曲线B)进行红外光谱测试，谱图参见图2。由图2可以看出，改性前的纳米纤维素纤维表面只显示了在284.5eV和529.3eV处的C1s和O1s光电子谱线，而经多氨基超支化聚合物改性后的纳米纤维素纤维表面在400eV处，出现了明显的N1s的光电子谱线。证实了多氨基超支化聚合物经戊二醛交联后，被成功的接枝到了纳米纤维素纤维上面。
图3和图4分别为改性前纳米纤维素纤维和多氨基改性纳米纤维素纤维的扫描电镜图。对比可以发现，在改性之前纳米纤维素纤维表面光滑，纤维粗细比较均匀，并且结构比较清晰，内部排列有一定规律。在改性后，纤维表面以及纤维间覆盖了一层物质，说明有新的物质通过接枝交联到纳米纤维素纤维的表面。由图4还可以看出，虽然纤维表面及纤维间被交联产物覆盖，但在纤维表面及纤维间的交联产物表面留有很多细小的微孔或缝隙，一定程度上增大了纤维材料的比表面积，有助于重金属的吸附。
图5为实例1制得的多氨基改性纳米纤维素纤维与改性前纳米纤维素纤维吸附Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的实物图。从图中可以看出，多氨基改性纳米纤维素纤维的表面由于吸附了更多的Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)，颜色变的更深，同时溶液的颜色变淡。
图6为实例1制得的多氨基改性纳米纤维素纤维与未改性的纳米纤维素纤维对Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附对比图。由图6可以看出，纳米纤维素纤维经多氨基化合物改性后，对Cu(II)、Cr(Ⅵ)离子的吸附能力都有了很大提高。将各约0.1g的改性前后的纳米纤维素纤维，分别放入含有50mLCu(II)离子浓度为96.67mg/L的硝酸铜溶液或50mLCr(Ⅵ)离子浓度为97.83mg/L的重铬酸钾溶液中，多氨基超支化聚合物改性后的纳米纤维素纤维吸附材料对Cu(II)、Cr(Ⅵ)离子的吸附量分别达到22.36mg/g、31.3521mg/g，而没有改性的普通纳米纤维素纤维吸附材料对Cu(II)、Cr(Ⅵ)离子的吸附量分别为9.844mg/g、7.9814mg/g。
综上，本发明的制备方法能够成功地对纳米纤维素纤维进行改性，制得既对阳离子重金属具有较好的吸附能力，又对以阴离子酸根形式存在的重金属离子具有较好吸附能力的多氨基纳米纤维素纤维，工艺简单，操作方便，易规模化。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按纳米纤维素纤维与去离子水1:20～1:100的浴比，将去离子水加入三角烧瓶中，按纳米纤维素纤维和25％的戊二醛水溶液1:2～1:10的质量比，将戊二醛水溶液滴加至上述含去离子水的烧瓶中，60℃～100℃搅拌30min～60min，备用；
S2、将纳米纤维素纤维置于氩等离子体气氛中，电压220V～380V，等离子体处理时间10s～180s，得到氩等离子体改性纳米纤维素纤维；
S3、将氩等离子体改性纳米纤维素纤维放入上述装有混合液的三角烧瓶中,取质量比浓度为10％的多氨基化合物水溶液，按纳米纤维素纤维和多氨基化合物水溶液1:20～1:100的质量比，加入到上述混合体系中，60℃～100℃继续搅拌反应30min～240min，过滤取出反应产物，用去离子水充分洗涤，60℃～90℃下烘干至恒重，得到多氨基化合物改性纳米纤维素纤维。
2.根据权利要求1所述的一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法，其特征在于，上述纤维素选自天然纤维素类纤维及制品、纤维素类植物或材料，以及纤维素的各种衍生物。
3.根据权利要求2所述的一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法，其特征在于，上述天然纤维素纤维及制品为棉、麻及各种天然韧皮纤维，上述纤维素类植物或材料为各种植物秸秆或木材、微晶纤维素，上述纤维素的各种衍生物为纤维素发生酯化或醚化反应后的生成物。
4.根据权利要求1所述的一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法，其特征在于，上述多氨基化合物为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺及其合成的多氨基超支化聚合物、多氨基树形聚合物。
5.根据权利要求1所述的一种改性纳米纤维素纤维重金属吸附材料的制备方法，其特征在于，上述反应介质为去离子水、甲醇、乙醇、丙醇中的一种或多种。
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