廢水處理中木棉纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀
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摘要:因木棉纖維具有的特殊的中空結(jié)構(gòu)和較高的空隙率的特性，木棉纖維在處理廢水方面逐漸得到人們的重視。通過對木棉纖維的結(jié)構(gòu)及性能分析，并對其用酸、堿或有機物來改善其疏水性、親油性及染色效率，以期達到不同的吸附效果。該文介紹了木棉纖維在生活中的廣泛應(yīng)用，分析了木棉纖維在疏水性、親油性及染色效率方面的主要原因，并闡述了通過改性之后的木棉纖維在油水分離和廢水處理方面的研究，最后對其未來的發(fā)展前景進行了展望。
天然纖維素纖維是人類日常生產(chǎn)生活中非常重要的材料之一，而且分布范圍廣泛。近現(xiàn)代以來，科學技術(shù)和工業(yè)化的發(fā)展使得社會的能源被大量消耗，天然纖維由于具有再生性，對環(huán)境無污染，且容易被降解等特性，受到了社會各界的廣泛關(guān)注。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，木棉纖維在廢水處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。但通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)幾乎沒有木棉纖維應(yīng)用在廢水處理方面的相關(guān)綜述。因此，本文主要對木棉纖維及其改性材料的吸附性能在廢水處理方面的應(yīng)用進行論述。
1油水分離
木棉纖維對各種液體的吸附特性取決于纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學成分、纖維表面自由能和液體特性等因素，其中表面蠟質(zhì)和木棉纖維的中腔結(jié)構(gòu)是木棉纖維表面疏水親油性能的主要原因。相關(guān)研究表明，國際上最早見于報導(dǎo)的是Kobayashi等［1］關(guān)于木棉纖維吸油性能的測試。孫向玲等［2］采用光學接觸角測量儀OCA15EC測試不同特性的液體在木棉纖維上的靜、動態(tài)接觸角發(fā)現(xiàn)木棉纖維具有優(yōu)良的親油拒水性，木棉纖維與機油、廢油和色拉油的靜態(tài)接觸角均小于60°，但其與水的接觸角大于130°;不同的液體表面張力和豁度差異可導(dǎo)致鋪展速度不同，水在木棉纖維表面形成液滴，穩(wěn)定且不鋪展，機油、廢油等則會在木棉纖維表面快速展開，但3種油液鋪展規(guī)律類似。然而，由于其光滑的纖維表面的蠟涂層，使其難以有效地保留油［3］。通過表面功能化進一步提高木棉纖維的吸油能力和疏水性，可以成為更有效、更經(jīng)濟的天然吸附材料。近年來，許多研究試圖改善木棉纖維的疏水性和親油性。Abdullah等［4］對比研究了酸處理和堿處理的炭化木棉纖維的吸附能力。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)鹽酸處理過的木棉纖維對柴油、汽油和舊植物油的吸油率均高于經(jīng)氫氧化鈉處理過的木棉纖維。與未處理的木棉和氫氧化鈉處理的木棉炭化纖維相比，鹽酸處理的木棉纖維在水系統(tǒng)中具有良好的油廢液吸附劑性能。Wang等［5］將聚甲基丙烯酸丁酯(PBMA)和聚苯乙烯(PS)作為改性劑，通過簡便的溶液浸泡步驟，研究了不同溶劑處理對木棉纖維親油性能的影響。Wang等［3］通過溶膠凝膠法在木棉纖維上摻入二氧化硅納米粒子，隨后用十二烷基三甲氧基硅烷通過水解進行疏水改性。Apollo等［5］以木棉天然微管為基材，制備了一種新型銅納米粒子載體。采用表面活性劑輔助丙烯腈單體聚合的方法在微管表面沉積聚合物膜。經(jīng)聚丙烯腈包覆后，木棉纖維的接觸角從120.5°下降到0°，表明木棉纖維的親水性得到了改善。在改性木棉纖維的不同材料中，二氧化鈦(TiO2)納米顆粒的表面積大、化學穩(wěn)定性良好并且毒性較低。然而，TiO2納米顆粒是親水性的。因此，Szeemaine等［6］通過固定化二氧化鈦納米粒子與1H，1H，2H，2H－全氟辛基－三乙氧基硅烷(PTES)分子進行功能化，成功地制備了功能化的二氧化鈦－木棉纖維。經(jīng)PTES改性后，二氧化鈦－木棉納米復(fù)合材料變得超疏水，水接觸角約為151°。此外，功能化二氧化鈦－木棉納米復(fù)合材料的最大吸油能力明顯高于原木棉。對于植物油，吸附量約為72.79g/g。經(jīng)過幾次吸附解吸循環(huán)后，該值僅下降約21%。
2廢水處理
許多印染行業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生染料廢水，這些染料廢水必須經(jīng)過處理，并且符合排放限值才能排放?，F(xiàn)已開發(fā)了幾種處理染料廢水的技術(shù)，如化學氧化、膜分離、生物累積、吸附和反滲透等［7］。在這些技術(shù)中，吸附因其操作方便、效率高、能量輸入低以及不同吸附劑的可用性而成為首選［8－9］。
2.1木棉纖維的結(jié)構(gòu)介紹
導(dǎo)致纖維素中部分羥基不能被染料分子利用的主要原因是其他非纖維素和纖維素與木質(zhì)素的相互作用，進而使纖維素無定形部分減少，最終致使木棉纖維的疏水性降低，染色效率低。因此，對木棉纖維進行改性來達到對染料廢水的高效吸附是目前研究的重點。木棉纖維就是一種眾所周知的天然纖維素纖維。木棉纖維的基本化學組分為:纖維素、木質(zhì)素、水分、灰分、木聚糖和蠟質(zhì)等。因此具有良好的拒水吸油性［10］。目前中空度最高的纖維是木棉纖維，其中空率最高可以達到97%。同時，木棉纖維還具有良好的化學性能，具有較強的耐酸性和耐堿性。這些特性使得木棉纖維有良好的吸附能力，而且木棉纖維在炭化后制備的生物炭比表面積更大，吸附效果也更好［11］。同時可以反復(fù)使用。作為制備生物炭的前驅(qū)體，木棉纖維在廢水處理領(lǐng)域有了更廣泛的應(yīng)用。
2.2吸附實驗
王元慶［12］將制得的木棉纖維活性炭材料吸附亞甲基藍溶液時，反應(yīng)在48h達到了吸附平衡，吸附亞甲基藍的三個樣品的吸附量十分接近，在147～157mg/g之間(400mg/L時平衡吸附量)。Wang等［13］分別用NaOH和NaClO2溶液進行堿改性和氧化過程，實驗對金屬的去除率在95%～99%范圍內(nèi)，去除順序為Pb2+＞Cu2+＞Ni2+≈Cd2+＞Zn2+。王元慶等［14］采用浸漬磷酸氫二銨及化學活化法制備了3種木棉基活性炭纖維，對3種活性炭纖維的吸附性能進行研究表明:苯酚最大的吸附量為65.8mg/g;亞甲基藍最大的吸附量為156.7mg/g。Liu等［15］采用RSM對處理參數(shù)進行優(yōu)化，得到對MB具有良好吸附性能的親水性木棉纖維，通過統(tǒng)計分析得出最佳處理條件為NaClO2為0.93g，HAc為1.42mL，反應(yīng)溫度為90℃，吸附容量達到110.13mg/g，吸附速度較快，60min內(nèi)達到平衡。用稀釋的鹽酸溶液對載MB的木棉纖維進行了有效的脫附，回收的吸附劑具有良好的重復(fù)使用性能。結(jié)果表明，經(jīng)過處理的木棉纖維在陽離子染料廢水處理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。Nurfitri等［16］研究了用KF去除渾濁水中粘土顆粒的可能性。首先將KF在去離子水中100℃煮沸15min，去除表面油脂。用蒙脫石粉懸浮液混合1L去離子水，分為100、200、300、400mL，作為混濁水源。KF去除水中粘土顆粒的能力是通過在一個397.9cm3的丙烯酸柱中通過60g處理過的KF過濾水來評估的。結(jié)果表明，處理后的KF能有效去除渾濁水中粘土顆粒，因此這種KF纖維作為一種簡單而廉價的水處理工具具有價值，特別是在發(fā)展中國家。也有研究者發(fā)現(xiàn)廢木棉纖維經(jīng)氫氧化鈉和NaClO2溶液化學處理后，可用于含鉛廢水的治理。Runkai等［17］通過動力學研究及其等溫線模型，發(fā)現(xiàn)化學改性木棉纖維的吸附是一個化學反應(yīng)吸附過程，吸附能力隨pH值的降低而降低，可與可循環(huán)的木棉纖維交換。應(yīng)用化學改性木棉纖維可作為去除工業(yè)廢水中鉛含量的替代工具。
2.3影響吸附效果的因素
這些研究表明許多因素會影響吸附劑對染料的吸附效果，如吸附劑的化學基團。吸附劑表面最常見的官能團是含氧官能團。表面含氧官能團對表面反應(yīng)、表面行為、親(疏)水性、催化性質(zhì)和Zeta勢和表面電荷等具有很大影響，從而影響吸附劑的吸附行為［18］。染料溶液的pH值溶液初始構(gòu)和電離度也會對吸附劑的吸附效果產(chǎn)生一定的影響，而且也影響吸附劑的官團和表面電荷。例如在堿性條件下，由于pH較高氫氧根離子有可能與染料分子形成共吸附而使脫色更易進行。同時溫度對木棉纖維的吸附效果一般具有促進作用。由于染料一般都為高分子有機物質(zhì)，被吸附的高分子一般處于伸展狀態(tài)，因此，這類吸附是一個吸熱過程。這之中情況下，溫度升高會增加吸附量。此外，生化物質(zhì)吸附溫度的選擇，還要考慮它的穩(wěn)定性。在初始濃度一定的條件下，加入的吸附劑量是決定吸附效率的重要因素。這是因為增加的吸附劑量提供了更大的比表面積和吸附活性位點。但是復(fù)合材料的單位吸附量卻與投入量成反比，這是因為吸附劑量越大，所能提供的吸附位點越多，超過了吸附點位飽和閥值，大量有效吸附位點未得到充分利用，就會導(dǎo)致了單位吸附量的下降［19］。其他如吸附劑的電負性等其他因素也會對吸附劑的吸附效果產(chǎn)生一些影響。同時，研究表明吸附劑與染料間的吸附一般有靜電吸附、離子交換、氫鍵、分子間力及空腔包合等機制［20］。
3結(jié)語
KF是一種來源豐富、可再生且無污染的植物纖維。與合成纖維相比，由于其具有天然可用性、低成本、生物降解性、輕質(zhì)性和獨特的管狀結(jié)構(gòu)，所以受到了科研領(lǐng)域及工業(yè)制造領(lǐng)域廣泛關(guān)注。近年來，對KF在吸附方面的開發(fā)和利用取得了一些階段性的成果，尤其是在吸油即油水分離方面，木棉纖維已被用作吸油劑，尤其適用于石油已意外蔓延的地區(qū)。但在染料廢水的處理和重金屬離子的吸附方面的研究較少，已有的研究也僅停留在理論和實驗階段，還未形成可以規(guī)?；褂玫奈讲牧稀Ｔ谀壳斑@種追求高效節(jié)能、綠色環(huán)保材料的時代背景下，隨著技術(shù)和設(shè)備的更新?lián)Q代以及無數(shù)科研工作者的持續(xù)創(chuàng)新和深入的研究，繼續(xù)發(fā)揮木棉纖維的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，將其與其他特征材料相結(jié)合，對KF進行改性，進而拓寬KF所能適用的范圍，將會成為其重要的發(fā)展方向之一。
作者：廉麗琴 李凌萱 張震 單位：華南理工大學材料科學與工程學院