CN107433192A - 一种复合纤维吸附材料及其制备方法 - Google Patents

一种复合纤维吸附材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合纤维吸附材料，属于吸附材料技术领域，所述复合纤维吸附材料由以下重量份数的原料制备：棉纤维45‑55份、致孔剂5‑12份、羧甲基壳聚糖8‑12份、聚丙烯腈4‑8份，苯乙烯‑二乙烯苯共聚物 8‑15份和过氧化苯甲酰0.5‑1.5份。使用棉纤维进行静电纺丝，还添加有聚丙烯腈、羧甲基壳聚糖和苯乙烯‑二乙烯苯共聚物进行共混纺丝，最终制备的复合纤维吸附材料比表面积大，孔隙率高，对Pb2+、Cu2+、以及Cd2+的吸附量较大，可适用于水体中重金属处理。

Description

一种复合纤维吸附材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及吸附材料技术领域，尤其是涉及一种复合纤维吸附材料及其制备方法。
背景技术
我国水资源污染问题非常严重，生活污水和工业废水中污染物的种类和排放量日益增多，这些污染物大量排放到江、河、湖、海湾等水体，使水环境造成了严重的污染。水体中污染常见为重金属污染以及有机物和无机物的污染，常用的处理方法就是吸附法，即利用多孔性吸附材料去除废水中污染物的方法，理想的吸附剂应该具备下列特点，即材料来源广泛、价格低廉、吸附能力强、吸附选择性好、吸附平衡浓度低、机械强度好、化学性质稳定、容易再生和利用。而现有技术中制备的处理水体污染的吸附材料也多种多样。
中国专利公开号CN 106179238 A 提供一种快速吸附重金属离子的多孔纳米纤维及其制备方法，主要针对普通纤维比表面积小、对重金属离子吸附量低、达到吸附平衡的时间长等缺点。以海藻酸钠和羧甲基壳聚糖为主要原料，将其与辅助纺丝的高分子、致孔剂和增强剂一起溶解于水中，配制成纺丝液。采用静电纺丝技术得到纳米纤维，经过钙离子交联成型，得到重金属离子萃取多孔纳米纤维。本发明制备的重金属离子萃取纳米纤维具有比表面积大、孔 隙率高、纳米纤维有大孔和微孔等优点，可以增大与金属离子的接触面积，提高吸附量，缩短吸附平衡的时间，可快速有效吸附水中的重金属离子。但是该多孔纳米纤维是以海藻酸钠和羧甲基壳聚糖为主要原料，吸湿性很强，使用寿命比较短。
中国专利公开号CN 105195110 A公开一种胺修饰的纤维膜状吸附材料及其制备方法，属于环境功能材料合成与应用领域。本发明采用聚丙烯腈粉末为基质，通过固相接枝聚合和胺化反应制备液体基质，然后经过静电纺丝制得新型纤维膜状吸附材料。该合成方法简单、胺化效率高，且可以节约大量溶胀剂与胺化试剂，所制备的膜状吸附材料具有高亲水性表面，能够应用于平板膜滤组件中，当水通过纤维膜时，表面基团可高效的吸附去除水中多种重金属离子，且吸附饱和后的纤维膜经过脱附再生后可重复使用。 但是该吸附材料通过胺化接枝聚丙烯腈制备而成，材料内部微孔少，比表面积小，对重金属的吸附量小。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种复合纤维吸附材料，使用棉纤维进行静电纺丝，还添加有聚丙烯腈、羧甲基壳聚糖和苯乙烯-二乙烯苯共聚物进行共混纺丝，最终制备的复合纤维吸附材料比表面积大，孔隙率高，对Pb2+、Cu2+、以及Cd2+的吸附量较大，使用寿命长，可适用于水体中重金属处理。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种复合纤维吸附材料，由以下重量份数的原料制备：棉纤维45-55份、致孔剂5-12份、羧甲基壳聚糖8-12份、聚丙烯腈4-8份，苯乙烯-二乙烯苯共聚物 8-15份和过氧化苯甲酰0.5-1.5份。
进一步的，所述致孔剂为聚乙二醇或聚丙烯酰胺。
进一步的，复合纤维吸附材料由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜；
（3）所述纤维膜浸入50-60份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应0.5-2h，采用去离子水清洗后干燥，得到复合纤维吸附材料。
进一步的，所述混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：1-3：1-3混合而成。
进一步的，所述混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯按重量比1-2：1混合。
进一步的，所述静电纺丝条件为：纺丝距离10-15cm，电压为15-25kV，挤出速度为3-5mL/h。
进一步的，所述超声分散功率为300-500W，时间为30-50min。
本发明的有益效果是：
1、本发明公开一种复合纤维吸附材料，使用棉纤维进行静电纺丝，还添加有聚丙烯腈、羧甲基壳聚糖和苯乙烯-二乙烯苯共聚物进行共混纺丝，最终制备的复合纤维吸附材料比表面积大，孔隙率高，对Pb2+、Cu2+、以及Cd2+的吸附量较大，可适用于水体中重金属处理。
2、其中棉纤维属于天然高分子材料，具有多孔结构和较大的比表面积，且棉纤维表面含有较多的亲水性集团，可通过离子交换或螯合等方式吸附重金属。由于聚丙烯腈稳定性好，且耐光耐热耐酸碱，在棉纤维中添加聚丙烯腈进行混纺，能增强复合纤维吸附材料的使用寿命和稳定性，且聚丙烯腈也是微孔接口，与棉纤维协同吸附重金属。羧甲基壳聚糖具有生物相容性、吸附量大、原料来源广泛的特点，能够高效吸附金属离子，添加进入棉纤维进行纺丝，能大大增强棉纤维的吸附性能。
3、在纺丝液中添加苯乙烯-二乙烯苯共聚物，苯乙烯-二乙烯苯共聚物为大孔树脂，对重金属的吸附性能优异，苯乙烯-二乙烯苯共聚物和棉纤维进行静电纺丝后，将得到的纤维膜浸入二氯乙烷中并加入过氧化苯甲酰和致孔剂进行后交联反应，后交联反应后的苯乙烯-二乙烯苯共聚物中形成新的交联键，不仅形成了部分新孔，而且使初始共聚物原来不稳定的孔变得稳定而成为永久的孔隙，因此树脂的比表面积、孔容在后交联后增加，能大大增加本发明材料的吸附性能。
4、本发明中溶解棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物的混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水混合而成，溶解效果好，制备的复合纤维吸附材料比表面积大，吸附性能好。而将纤维膜浸入混合溶剂二中，混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯混合物，可将苯乙烯-二乙烯苯共聚物充分溶胀，后交联后苯乙烯-二乙烯苯共聚物树脂孔结构稳定性更强。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
实施例1
一种复合纤维吸附材料，由以下重量份数的原料制备：棉纤维45份、致孔剂12份、羧甲基壳聚糖8份、聚丙烯腈4份，苯乙烯-二乙烯苯共聚物 15份和过氧化苯甲酰0.5份。
其中致孔剂为聚乙二醇。
复合纤维吸附材料由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液，其中超声分散功率为300W，时间为50min；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜，其中静电纺丝条件为：纺丝距离10cm，电压为15kV，挤出速度为3mL/h；
（3）所述纤维膜浸入50份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应0.5h，采用去离子水清洗干净后干燥，得到复合纤维吸附材料。
其中混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：1：1混合而成；混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯按重量比1：1混合。
实施例2
一种复合纤维吸附材料，由以下重量份数的原料制备：棉纤维48份、致孔剂11份、羧甲基壳聚糖9份、聚丙烯腈5份，苯乙烯-二乙烯苯共聚物14份和过氧化苯甲酰0.6份。
其中致孔剂为聚乙二醇或聚丙烯酰胺。
复合纤维吸附材料由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液，其中超声分散功率为400W，时间为40min；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜，其中静电纺丝条件为：纺丝距离11cm，电压为16kV，挤出速度为4mL/h；
（3）所述纤维膜浸入52份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应1h，采用去离子水清洗干净后干燥，得到复合纤维吸附材料。
其中混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：2：1混合而成；混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯按重量比1.5：1混合。
实施例3
一种复合纤维吸附材料，由以下重量份数的原料制备：棉纤维50份、致孔剂10份、羧甲基壳聚糖10份、聚丙烯腈6份，苯乙烯-二乙烯苯共聚物13份和过氧化苯甲酰0.7份。
其中致孔剂为聚乙二醇。
复合纤维吸附材料由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液，其中超声分散功率为500W，时间为30min；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜，其中静电纺丝条件为：纺丝距离12cm，电压为18kV，挤出速度为5mL/h；
（3）所述纤维膜浸入54份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应1.5h，采用去离子水清洗干净后干燥，得到复合纤维吸附材料。
其中混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：2：3混合而成；混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯按重量比2：1混合。
实施例4
一种复合纤维吸附材料，由以下重量份数的原料制备：棉纤维52份、致孔剂9份、羧甲基壳聚糖11份、聚丙烯腈7份，苯乙烯-二乙烯苯共聚物 12份和过氧化苯甲酰0.9份。
其中致孔剂为聚丙烯酰胺。
复合纤维吸附材料由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液，其中超声分散功率为400W，时间为50min；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜，其中静电纺丝条件为：纺丝距离13cm，电压为20kV，挤出速度为4mL/h；
（3）所述纤维膜浸入55份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应2h，采用去离子水清洗干净后干燥，得到复合纤维吸附材料。
其中混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：2：2混合而成；混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯按重量比1.5：1混合。
实施例5
一种复合纤维吸附材料，由以下重量份数的原料制备：棉纤维53份、致孔剂8份、羧甲基壳聚糖12份、聚丙烯腈8份，苯乙烯-二乙烯苯共聚物11份和过氧化苯甲酰1.0份。
其中致孔剂为聚乙二醇。
复合纤维吸附材料由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液，其中超声分散功率为300W，时间为40min；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜，其中静电纺丝条件为：纺丝距离14cm，电压为21kV，挤出速度为3mL/h；
（3）所述纤维膜浸入56份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应0.5h，采用去离子水清洗干净后干燥，得到复合纤维吸附材料。
其中混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：3：1混合而成；混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯按重量比1：1混合。
实施例6
一种复合纤维吸附材料，由以下重量份数的原料制备：棉纤维54份、致孔剂6份、羧甲基壳聚糖8份、聚丙烯腈5份，苯乙烯-二乙烯苯共聚物 9份和过氧化苯甲酰1.2份。
其中致孔剂为聚丙烯酰胺。
复合纤维吸附材料由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液，其中超声分散功率为400W，时间为30min；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜，其中静电纺丝条件为：纺丝距离15cm，电压为22kV，挤出速度为4mL/h；
（3）所述纤维膜浸入58份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应1.5h，采用去离子水清洗干净后干燥，得到复合纤维吸附材料。
其中混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：3：3混合而成；混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯按重量比1.5：1混合。
实施例7
一种复合纤维吸附材料，由以下重量份数的原料制备：棉纤维55份、致孔剂5份、羧甲基壳聚糖9份、聚丙烯腈6份，苯乙烯-二乙烯苯共聚物 8份和过氧化苯甲酰1.5份。
其中致孔剂为聚乙二醇。
复合纤维吸附材料由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液，其中超声分散功率为500W，时间为50min；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜，其中静电纺丝条件为：纺丝距离10cm，电压为25kV，挤出速度为5mL/h；
（3）所述纤维膜浸入60份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应2h，采用去离子水清洗干净后干燥，得到复合纤维吸附材料。
其中混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：3：1混合而成；混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯按重量比2：1混合。
对比例1
对比例1与实施例7基本相同，不同之处在于：纤维膜不进行后交联，具体如下：
一种复合纤维吸附材料，由以下重量份数的原料制备：棉纤维55份、致孔剂5份、羧甲基壳聚糖9份、聚丙烯腈6份和苯乙烯-二乙烯苯共聚物 8份。
其中致孔剂为聚乙二醇。
复合纤维吸附材料由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液，其中超声分散功率为500W，时间为50min；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜，其中静电纺丝条件为：纺丝距离10cm，电压为25kV，挤出速度为5mL/h。
（3）所述纤维膜浸入60份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应2h，采用去离子水清洗干净后干燥，得到复合纤维吸附材料。
其中混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：3：1混合而成。
对比例2
对比例2与实施例7基本相同，不同之处在于：原料中不添加羧甲基壳聚糖，具体如下：
一种复合纤维吸附材料，由以下重量份数的原料制备：棉纤维55份、致孔剂5份、聚丙烯腈6份，苯乙烯-二乙烯苯共聚物 8份和过氧化苯甲酰1.5份。
其中致孔剂为聚乙二醇。
复合纤维吸附材料由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液，其中超声分散功率为500W，时间为50min；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜，其中静电纺丝条件为：纺丝距离10cm，电压为25kV，挤出速度为5mL/h；
（3）所述纤维膜浸入60份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应2h，采用去离子水清洗干净后干燥，得到复合纤维吸附材料。
其中混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：3：1混合而成；混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯按重量比2：1混合。
性能检测
本发明实施例1-7以及对比例1-2制备的纤维膜中纤维的直径为100-150nm，并测试本发明制备的复合纤维吸附材料对Pb2+、Cu2+、以及Cd2+的吸附量（mg/g），将20mg实施例1-7以及对比例1-3制备的复合纤维吸附材料分别放入25mL浓度为100mg/L的硝酸铜、硝酸铅和硝酸镉溶液中，20min后检测溶液的浓度，计算吸附量，具体结果见表1。
表1 实施例1-7以及对比例1-2制备的纤维膜吸附性能
由表1可知，本发明实施例1-7制备的复合纤维吸附材料比表面积大，对Pb2+吸附量为335-350mg/g，对Cu2+吸附量为185-210mg/g，对Cd2+吸附量为260-283mg/g，吸附性能优异。
而对比例1是在实施例7基础上调价制备方法，即纤维膜不进行后交联；对比例2中减少了一种原料羧甲基壳聚糖，而对比例1和对比例2制备的吸附材料的吸附性能比实施例7要差，说明本发明中的各种原料相互协同作用，大大增加材料的吸附性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种复合纤维吸附材料，其特征在于：由以下重量份数的原料制备：棉纤维45-55份、致孔剂5-12份、羧甲基壳聚糖8-12份、聚丙烯腈4-8份，苯乙烯-二乙烯苯共聚物 8-15份和过氧化苯甲酰0.5-1.5份。
2.根据权利要求1所述的一种复合纤维吸附材料，其特征在于：所述致孔剂为聚乙二醇或聚丙烯酰胺。
3.根据要求1所述的复合纤维吸附材料，其特征在于：由以下步骤制备：
（1）将棉纤维、羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈以及苯乙烯-二乙烯苯共聚物溶于混合溶剂一中，超声分散，得纺丝原液；
（2）所述纺丝原液进行静电纺丝，得到纤维膜；
（3）所述纤维膜浸入50-60份重量混合溶剂二中，加入过氧化苯甲酰和致孔剂交联反应0.5-2h，采用去离子水清洗后干燥，得到复合纤维吸附材料。
4.根据权利要求3所述的复合纤维吸附材料，其特征在于：所述混合溶剂一为N，N-二甲基甲酰胺、甲苯和水按重量比1：1-3：1-3混合而成。
5.根据权利要求3所述的复合纤维吸附材料，其特征在于：所述混合溶剂二为二氯乙烷和甲苯按重量比1-2：1混合。
6.根据权利要求3所述的复合纤维吸附材料，其特征在于：所述静电纺丝条件为：纺丝距离10-15cm，电压为15-25kV，挤出速度为3-5mL/h。
7.根据权利要求3所述的复合纤维吸附材料，其特征在于：所述超声分散功率为300-500W，时间为30-50min。
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