2改性棉纤维吸附剂的制备及性能研究'> HBP-NH2改性棉纤维吸附剂的制备及性能研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇2改性棉纤维吸附剂的制备及性能研究'> HBP-NH2改性棉纤维吸附剂的制备及性能研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：本研究通过氧化活化棉纤维的方法将端氨基超支化聚合物（HBP-NH2）接枝到棉纤维表面，成功制备了一种HBP-NH2改性棉纤维吸附剂，并以Cd2+的吸附量为依据对吸附剂的制备工艺进行了优化。研究表明HBP-NH2改性棉纤维吸附剂最佳制备工艺为：在60 ℃下，pH值为11.03的20 g/L HBP-NH2溶液中（浴比1∶50），接枝反应 2 h，所制备的改性棉纤维对Cd2+的吸附量最高，可达38.94 mg/g。

关键词：棉纤维；接枝；端氨基超支化聚合物；镉离子

中图分类号：TQ085 文献标志码：A

Preparation of Adsorbent Based on Modification of Cotton Fibers by HBP-NH2 and Its Property

Abstract： A modified cotton fiber adsorbent was prepared successfully by grafting amino-terminated hyperbranched polymer （HBP-NH2） onto oxidized cotton fibers. Its technology of preparation was optimized based on the adsorption quantity of Cd2+. The results showed that the modified cotton fibers have the highest adsorption capacity up to Cd2+ when 20 g/L HBP-NH2 reacted with oxidized cotton fibers at 60℃ and 11.03 pH value for 2 h. The adsorption quantity of Cd2+ could reach 38.94 mg/g.

Key words： cotton fiber； grafting； HBP-NH2； Cd2+

镉是一种毒性很强的重金属，极微量的镉就可对人体造成伤害。它具有稳定、积累和不易消除的特点，通过食物链富集，可使人体产生慢性中毒，甚至使人疼痛而死。1993年世界肿瘤研究机构（IARC）将镉定义为人类第IA致癌物。因此，含镉废水的有效处理刻不容缓，研究开发高效、经济的含镉废水处理技术，具有重大的社会、经济和环境意义。

天然纤维素来源广泛，价格低廉，具有良好的亲水性和多孔结构，又可通过羟基反应引入多种功能基，其在分析、生化、废水处理、金属离子的富集和回收以及环境保护等多个方面应用日益广泛。超支化聚合物具有区别于传统线性高分子的三维立体结构和大量官能团，因此其溶解性能优异，反应活性高。端氨基超支化聚合物（HBP-NH2）含有丰富的氨基和亚氨基，可以用于重金属的吸附。

本文利用HBP-NH2接枝到氧化棉纤维表面，制得HBPNH2改性棉纤维吸附剂，并对制备的吸附剂进行了表征。同时，以对Cd2+的吸附量为参照，探讨了HBP-NH2浓度、接枝时间、反应温度以及接枝液的pH值等对所制备的吸附剂吸附量的影响，为制备高性能吸附剂提供了理论基础。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

材料及试剂：棉纤维（市售），试剂有HBP-NH2（实验室自制）、高碘酸钠、丙三醇、四水合硝酸镉、氢氧化钠、盐酸等，以上试剂均为分析纯。

仪器：FE20型台式pH计（梅特勒-托利多仪器有限公司）；Nicolet 5700型傅立叶红外光谱仪（美国尼高力仪器公司）；iCAP6300型电感耦合等离子体发射光谱仪（赛默飞世尔科技有限公司）；S-4800型扫描电子显微镜（日本日立公司）；DW-HL100超低温冰箱（中科美菱低温科技有限责任公司）；FD-1C-50冷冻干燥机（北京博医康实验仪器有限公司）。

1.2 氧化棉纤维的制备

1.2.1 棉纤维的煮练

将一定量的原棉浸渍于95 ℃、20 g/L的NaOH溶液中，浴比 1∶50，煮练90 min，去离子水充分洗涤后烘干备用。

1.2.2 棉纤维的活化

将一定量煮练后的棉纤维置于温度为（20 ± 1）℃、质量分数为18%的NaOH溶液中，浴比 1∶50，反应 2 h，去离子水充分洗涤后烘干备用。

1.2.3 棉纤维的氧化

将一定质量活化后的棉纤维浸渍于水浴温度为70 ℃、20 g/L的NaIO4溶液中，浴比 1∶50，反应 3 h。用去离子水充分洗涤后，置于浓度为0.1 mol/L的丙三醇溶液中浸泡30 min，去离子水充分洗涤后烘干得氧化棉纤维。

1.3 HBP-NH2改性棉纤维的制备

2 结果与讨论

2.1 HBP-NH2接枝棉纤维的表征

2.1.1 红外光谱分析

本文通过高碘酸钠氧化活化棉纤维的方法将HBPNH2接枝到棉纤维上制备改性棉纤维吸附剂，为了验证吸附剂的成功制备，首先利用红外光谱对其结构进行分析。从图 1 可看出，棉纤维经高碘酸钠选择性氧化后在1 737 cm-1处出现了醛基的特征吸收峰，说明经高碘酸钠选择性氧化后，棉纤维分子的葡萄糖基环上已生成活性醛基基团，制备了二醛纤维素。HBP-NH2中具有大量氨基基团，能够与醛基反应将HBP-NH2接枝到棉纤维上。经接枝处理后，在1 737 cm-1处的醛基特征吸收峰消失，在 1 558 cm-1处出现了新的特征峰，即棉纤维上的醛基与HBP-NH2上的氨基反应生成亚胺结构，形成共价结合，制备了HBP-NH2接枝棉纤维。

2.1.2 扫描电镜分析

为了分析接枝前后棉纤维表面形貌的变化，利用SEM对其进行了观察。从图 2 可以看出，棉纤维经氧化后，由于氧化剂的“剥皮反应”，纤维表面出现了细小裂纹和不同深浅的纵向侵蚀条纹。经HBP-NH2接枝处理后，棉纤维表面的沟槽明显减少，并且变得光滑。说明接枝HBP-NH2能够对棉纤维的表面起修饰作用，在纤维表面上形成了一层覆盖膜。

2.2.1 HBP-NH2浓度的影响

为了获得具有较高吸附容量的HBP-NH2改性棉纤维，对其接枝工艺进行了优化。首先利用不同浓度的HBP-NH2溶液在pH值为11.03、温度为70 ℃的条件下接枝反应 2 h，考察HBP-NH2浓度对所制备的吸附剂吸附性能的影响。图3 是HBP-NH2浓度和接枝棉纤维吸附剂Cd2+吸附量的关系曲线图。从图 3 可以看出，随着HBP-NH2溶液浓度的升高，HBP-NH2接枝氧化棉纤维对Cd2+的吸附量呈现先增加后减少的趋势。当HBP-NH2溶液浓度为20 g/L时，对Cd2+的吸附量达到了最大值（34.48 mg/g）。主要原因是随着HBP-NH2溶液浓度升高，醛基和HBP-NH2分子间接触的几率增大，HBP-NH2接枝率提高，因此制备的吸附剂上有更多的活性基团可以用于Cd2+的吸附，Cd2+的吸附容量也随之增大。

当HBP-NH2浓度大于20 g/L时，继续增加HBP-NH2浓度，反而不利于HBP-NH2棉纤维对Cd2+的吸附。因为继续提高HBP-NH2的浓度虽然可能会提高其接枝率，但是HBPNH2棉纤维的粘度也随之增加（接枝的HBP-NH2过多，氨基基团之间会形成氢键缔合），这导致制备的HBP-NH2棉纤维之间容易发生黏连，而使其比表面积大大降低。因此，棉纤维基吸附剂对Cd2+的吸附容量先升高然后再逐渐下降，HBP-NH2溶液的最优浓度应设定为20 g/L。

2.2.2 接枝时间的影响

图 4 是接枝时间和HBP-NH2接枝棉纤维吸附剂Cd2+吸附量的关系曲线图（pH值11.03，HBP-NH2浓度20 g/L，接枝反应温度70 ℃）。由图 4 可知，接枝时间延长，HBP-NH2接枝棉纤维对Cd2+的吸附量增加，但超过 2 h后，其对Cd2+的吸附容量略有降低。这是因为当接枝时间逐渐增加时， HBP-NH2与氧化棉上的醛基逐渐反应，接枝率逐渐增加并达到最大值（2 h时）。继续延长接枝时间，虽然其接枝的HBP-NH2会继续增加，但其水溶性也会不断增加，最终导致HBP-NH2改性棉纤维的产率大大降低。实验发现，当接枝时间为 5 h时，HBP-NH2改性棉纤维产率仅为75%。综上分析，最佳接枝时间为 2 h。

2.2.3 温度的影响

图 5 是接枝温度和HBP-NH2接枝棉纤维吸附剂Cd2+吸附量的关系曲线图（pH值11.03，HBP-NH2浓度20 g/L，接枝反应时间 2 h）。由图 5 可知，随着温度的升高，HBP-NH2接枝氧化棉纤维对Cd2+吸附容量逐渐增加并趋于稳定，但是当温度超过80 ℃时，其对Cd2+的吸附量又会大大增加。这是因为随着接枝温度的升高，HBP-NH2分子热运动速度加快，反应活性增加，因而HBP-NH2接枝率也相应提高，HBP-NH2改性棉纤维对Cd2+的吸附量亦随之增加。另外温度在60 ～ 80 ℃时，HBP-NH2与氧化棉纤维表面的醛基反应活性较高，其表面的醛基基本完全反应，故所制备HBPNH2改性棉纤维对Cd2+吸附量基本相同。但当温度超过80℃时，棉纤维显著膨胀，棉纤维内部的结晶区在水分子作用下转变成无定形区，提供了更多的反应活性位点，故相应HBP-NH2接枝率亦增加，并最终导致Cd2+吸附量的增加。虽然90 ℃时吸附性能最好，但对HBP-NH2改性棉纤维损伤较严重，部分纤维出现粉末化现象。故综合考虑吸附效果及纤维强度，反应的最佳温度应设定为70 ℃。

3 结论

（1）本研究以棉纤维为基体，通过高碘酸钠选择性氧化，然后接枝hbp-nh2，成功制备了HBP-NH2改性棉纤维吸附剂；（2）以该吸附剂对Cd2+的吸附量为依据对吸附剂的制备工艺进行优化，得到最佳工艺条件为：在20 g/L HBP-NH2溶液中，pH值为11.03条件下，70 ℃接枝反应 2 h；（3）所制备的HBP-NH2接枝氧化棉纤维可以有效去除废液中的重金属镉，对Cd2+的最大吸附量达到38.94 mg/g。

参考文献

[1] 薄梅花，叶葶葶.镉的危害作用与生理监测[J].劳动医学，1999，16（1）：44-46.

[2] 曾江萍，汪模辉.含镉废水处理现状及研究进展[J].内蒙古石油化工，2007（11）：5-7.

[3] 王华，何玉凤，何文娟，等.纤维素的改性及在废水处理中的应用研究进展[J].水处理技术，2012，38（5）：1-6.

[4] 张峰.超支化聚合物的制备及对棉纤维的功能化改性[D].苏州：苏州大学，2009.

[5] Gao C，Yan D.Hyperbranched polymers： from synthesis to applications[J].Progress in Polymer Science，2004，29（3）：183-275.

[6] 汪守建，王寿武，史继斌，等.端氨基超支化合物的粘度的研究[J].浙江化工，2012，43（3）：27-29.

[7] 赵兵，张峰，林红，等.氧化程度对端氨基超支化合物接枝氧化亚麻织物无盐染色性能的影响[J].印染助剂，2010，27（9）：33-35.

[8] 钱军民，李旭祥.高碘酸钠氧化纤维素的研究[J].现代化工，2001，21（7）：27-30.

[9] 李芳清，吴志猛.改性桔子皮对重金属Cu2+的吸附研究[J].安徽农业科学，2009，37（33）：16445-16447.