废革胶原纤维对重金属(Cu2+)吸附性能的研究*

沈 戈 何南霏 冯 凯 殷保璞

(东华大学纺织学院，上海，201620)

废革胶原纤维对重金属(Cu2+)吸附性能的研究*

沈 戈 何南霏 冯 凯 殷保璞

(东华大学纺织学院，上海，201620)

将制革过程中产生的大量皮革边角料疏解成胶原蛋白纤维进行再利用，该纤维作为一种新型吸附剂，可去除Cu2+等重金属离子。研究了吸附过程中温度、时间、pH值、吸附材料量等参数对吸附效果的影响。

废革胶原纤维，铜离子，吸附

我国是制革大国，每年在皮革生产过程中产生的皮革边角料数量惊人。大量的皮革边角料如果不能得到有效的回收和利用，既污染环境，又造成资源的巨大浪费［1］。皮革边角料的主要成分是胶原蛋白，是丰富的蛋白纤维资源，因此皮革边角料中胶原蛋白的收集利用是一个重要的研究方向。

在制革过程中，胶原蛋白原有的结构被部分裂解，形成了更多活性基，这些活性基团能与金属离子发生配位结合［2］，即废革胶原纤维通过化学键可与废水中的重金属离子相结合［3］，从而起到吸附作用。

从皮革边角料中通过物理方法疏解而成的废革胶原纤维通过气流成网、水刺缠结或热熔黏合等工艺制成非织造材料，可以应用于环保领域。本文探索了废革胶原纤维对重金属Cu2+的吸附效果和机理，讨论了吸附过程中温度、时间、pH值、吸附材料量等参数对吸附结果的影响。

1 废革胶原纤维的结构和性能

为了更好地研究废革胶原纤维对重金属的吸附情况以及便于后续的实验研究，对从来自制革工厂的经机械疏解的皮革边角料制得的废革胶原纤维进行了结构和物化性能的实验分析。由于疏解得到的废革胶原纤维的表观性状离散性很大，故必须采用统计方法获取其分布值。

实验数据显示:废革胶原纤维的线密度分布在8.82 ×10－3～0.12 dtex 之间，其平均值为0.07 dtex，CV值为71.99%;长度主要集中在20～40 mm，最大可以达到60 mm，最小只有几毫米，平均值为30.82 mm，CV值为 37.03%，属于中等长度纤维;表面有原纤化细纤包缠，截面形状不规则，且由于线密度的离散性，横截面大小也有差别;断裂强力很低，主要集中在30～60 cN之间，断裂伸长率相对较大;回潮率达到7.1%，具有良好的吸湿性能;根据红外光谱分析，废革胶原纤维在110℃时，其蛋白质会被破坏。

该废革胶原纤维由于其良好的亲水性，通过非织造水刺加工技术，能制成手感柔软、相对弹性较好、酷似真皮的人造革和合成革基布［4］。水刺非织造材料的三维网络状结构对于废水中颗粒物、杂质等有害物质的过滤也有很好的效果。

2 重金属(Cu2+)吸附实验［5］

2.1 原料和试剂

五水硫酸铜(CuSO4·5H2O)，蓝色晶体，分析纯，500 g;

废革胶原纤维，由制革工厂的皮革边角料经机械疏解获得。

2.2 实验方法

准确称取2.5 g的CuSO4·5H2O放入装有蒸馏水的烧杯中，溶解;然后转移至1 000 mL的容量瓶中，加蒸馏水至刻度，得到10 mmol/L浓度的CuSO4溶液。

使用稀盐酸或氨水调节溶液的pH值，用pH计测量;实验温度用水浴锅控制;利用分光光度计(WF J2100型)在波长540 nm下测量溶液浓度［6］，材料对Cu2+的吸附效果按下式计算:

式中:Q——Cu2+的吸附量(mmol/g);

C0——初始溶液浓度(mmol/L);

X0——吸附前溶液Cu2+的吸光度;

X1——吸附后溶液Cu2+的吸光度;

V——CuSO4溶液体积(L);

M——废革胶原纤维质量(g)。

研究在不同温度、时间、pH值以及吸附材料量等参数条件下，废革胶原纤维对Cu2+吸附性能的变化。

2.2.1 温度影响实验

取4个800 mL烧杯，量取250 mL已配制好的10 mmol/L的CuSO4溶液置于烧杯中，分别称取2.5 g废革胶原纤维，充分浸入各烧杯的溶液中，用稀盐酸或氨水调节pH值为5左右，各烧杯的实验温度依次为20、30、40和50℃，30 min后测量溶液中的Cu2+浓度，记录数据。

2.2.2 时间影响实验

取1个800 mL烧杯，量取250 mL已配制好的10 mmol/L的CuSO4溶液置于烧杯中，称取2.5 g废革胶原纤维充分浸入烧杯的溶液中，用稀盐酸或氨水调节pH值为5左右，控制温度在30℃。每隔10 min测量一次溶液Cu2+浓度，记录数据。

2.2.3 pH 值影响实验

取4个800 mL烧杯，量取250 mL已配制好的10 mmol/L的CuSO4溶液置于烧杯中，分别称取2.5 g废革胶原纤维，充分浸入各烧杯的溶液中，控制温度在30℃，用稀盐酸或氨水调节pH值分别为3、5、10.5 和11，30 min 后测量溶液中 Cu2+浓度，记录数据。

2.2.4 吸附材料量影响实验

取4个800 mL烧杯，量取250 mL已配制好的10 mmol/L的CuSO4溶液置于烧杯中，分别称取1.5、2.5、3.5 和 4.5 g 废革胶原纤维，充分浸入各烧杯的溶液中，控制温度在30℃，用稀盐酸或氨水调节pH值为5，30 min后测量溶液中的Cu2+浓度，记录数据。

3 结果与分析

3.1 温度的影响

图1是在CuSO4溶液初始浓度为10 mmol/L、pH值为5、吸附时间为30 min、吸附材料为2.5 g废革皮胶原纤维、被吸附溶液体积为250 mL的参数条件下，不同温度下废革胶原纤维对Cu2+的吸附曲线。

图1 不同温度下废革胶原纤维对Cu2+的吸附曲线

如图1所示，在20～50℃阶段，随着温度的上升，废革胶原纤维对于Cu2+的吸附量上升，实验中最大吸附量为0.913 mmol/g，即每升溶液中有9.13 mmol的 Cu2+被吸附。

根据吸附结果可以推测，较高的温度增加了废革胶原纤维的反应活性，更有利于Cu2+附着在纤维表面或者纤维间。

3.2 时间的影响

图2是在CuSO4溶液初始浓度为10 mmol/L、pH值为5、实验温度为30℃、吸附材料为2.5 g废革胶原纤维、被吸附溶液体积为250 mL的参数条件下，随吸附时间变化废革胶原纤维对Cu2+的吸附曲线。

图2 随时间变化废革胶原纤维对Cu2+的吸附曲线

如图2所示，在0～50 min之间，Cu2+的吸附量随时间增加呈上升态势。在开始的20 min内，吸附速度快且吸附量相对较大，这是因为在实验初始阶段废革胶原纤维上有较多的反应基团，吸附作用较强;随着反应的进行，吸附逐渐达到饱和，基本不再吸附Cu2+;50 min时吸附量达到0.853 mmol/g，即每升溶液中有8.53 mmol的Cu2+被吸附。

3.3 pH值的影响

图3是在CuSO4溶液初始浓度为10 mmol/L、实验温度为30℃、吸附时间为30 min、吸附材料为2.5 g废革胶原纤维、被吸附溶液体积为250 mL的参数条件下，不同pH值下废革胶原纤维对Cu2+的吸附曲线。

图3 不同pH值下废革胶原纤维对Cu2+的吸附曲线

从图3可以看出，当pH值为5(溶液呈弱酸性)时，Cu2+吸附量达到0.838 mmol/g。废革胶原纤维在制革过程中形成了很多活性基团，如羧基、羟基和氨基等，能与金属离子发生配位反应，并且其在低pH值条件下仍能发挥优良作用;但当pH值较小时，会阻碍阳离子解离并与Cu2+发生反应;当pH值较大(溶液呈碱性)时，Cu2+在溶液中主要以四氨合铜(Ⅱ)络合物的形式存在;当溶液呈弱碱性时，Cu2+转化成氢氧化铜沉淀［7］。

3.4 吸附材料量的影响

图4是在CuSO4溶液初始浓度为10 mmol/L、pH值为5、实验温度为30℃、吸附时间为30 min、被吸附溶液体积为250 mL的参数条件下，不同量的废革胶原纤维对Cu2+的吸附曲线。

由图4可以看出，随着吸附材料量的增加，废革胶原纤维中参与反应的活性基团增多，则吸附的Cu2+亦多。

图4 不同废革胶原纤维量对Cu2+的吸附曲线

4 结论

(1)废革胶原纤维以皮革边角料为原料，来源广，成本低，属于废物利用，疏解过程属于物理过程，无污染，符合可持续发展的观念。

(2)废革胶原纤维对Cu2+有很好的吸附性能，作为过滤材料能够去除废水中的Cu2+等重金属离子。

(3)温度、吸附时间、pH值、吸附材料量等参数的变化可以影响废革胶原纤维对Cu2+的吸附。温度在20～50℃之间时，温度越高，废革胶原纤维对Cu2+吸附量越大;随着吸附时间的增加，吸附越完全，吸附量呈上升趋势，50 min以后达到吸附和解吸的动态平衡;pH值在3.5～11之间时，pH值为5时吸附效果最好;随着吸附材料量的增加，参与反应的活性基团增多，则吸附的Cu2+亦多。通过实验得出，当CuSO4溶液体积为250 mL，初始浓度为10 mmol/L，pH值为5，吸附材料为2.5 g废革胶原纤维，吸附时间为30 min时，废革胶原纤维对Cu2+的吸附量在50℃时可达一个较高值，为0.913 mmol/g，即每升溶液中有 9.13mmol的 Cu2+被吸附。

［1］王德义，高书霞.旧皮革的回收与利用［J］.再生资源研究，2004(2):39.

［2］陆爱霞.胶原纤维固化金属离子吸附材料的制备及其对蛋白质、酶和微生物的吸附特性研究［D］.成都:四川大学皮革化工与工程专业，2006.

［3］EVANS N A，MILLIGAN B，MONTGOMERY K C.Collagen Crosslinking:new binding sites for mineral tannage［J］.Journal of the American Leather Chemists Association，1987，82(4):86-95.

［4］徐朴，叶奕樑.水刺法非织造布工业的现状和发展［J］.非织造布，2007，15(6)，3-9.

［5］刘莲，俞镇慌.羽毛非织造布对铜离子的吸附研究［J］.非织造布，2008，16(4):10-14.

［6］何畏.物理化学实验［M］.北京:科学出版社，2009:31-37.

［7］杨崇岭，关丽涛，赵耀明，等.羽毛的化学改性及其对Cu2+的吸附［J］.农业环境科学学报，2007，26(1):344-349.

Study on adsorption performance of waster leather collagen fiber on heavy metal

Shen Ge，He Nanfei，Feng Kai，Yin Baopu
(College of Textile，Donghua University)

A large amount of scraps leather obtained during leather-making processing were slacked and de-composited to collagen protein fiber which to be reused.This kind of fiber used as novel adsorbent could get rid of heavy metals involving copper ion.The influence of parameters such as temperature，time，pH value and adsorption material during adsorption period on adsorption effect were studied.

waster leather collagen fiber，copper ion，adsorption

TS101.92+1.9

A

1004－7093(2011)07－0020－04

*国家大学生创新性实验计划项目(091025526)

2011－05－16;修改稿:2011－06－21

沈戈，女，1989年生，非织造材料与工程专业学生。