纳米氧化铝溶胶在棉织物上的吸附模型

胡晓霞，杜英英，潘成玉，邢彦军

(1.东华大学生态纺织教育部重点实验室，上海 201620;2.上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114)

纳米氧化铝溶胶在棉织物上的吸附模型

胡晓霞1，杜英英2，潘成玉1，邢彦军1

(1.东华大学生态纺织教育部重点实验室，上海 201620;2.上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114)

使用以硝酸铝为母体制备的纳米氧化铝溶胶对棉织物进行整理。通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)对不同铝含量溶胶处理棉织物的铝含量进行测定，并分别采用Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型对纳米氧化铝溶胶在棉织物上的吸附模型进行研究。模拟结果表明，氧化铝溶胶在棉织物上的吸附同时符合Langmuir和 Freundlich吸附模型。在 Langmuir吸附等温方程中，最大吸附量为126.19 mg/g，吸附系数为4.23×10－3L/g，相关系数为0.9972。在Freundlich等温吸附模型中，吸附系数为0.64，常数为1.095，相关系数为0.9978。Langmuir模型的相关系数低于Freundlich模型，表明氧化铝在棉织物上的吸附更适合用Freundlich吸附模型描述，说明纳米氧化铝在棉织物上的吸附以氢键和范德华力结合为主。

纳米铝溶胶;棉织物;吸附模型;相关系数

溶胶已被应用于染料的抗菌［1－2］、拒水［3－5］和抗紫外线整理［6］等方面。纳米氧化铝溶胶的应用极为广泛，主要用于制备载体、多孔膜和隔热层材料以及各种耐火材料的粘结剂。在涂层、膜结构、载体等的制备过程中，由于它们对铝溶胶的浓度要求都不高，而且不考虑其结合强度，主要考虑氧化铝膜的致密性和均匀性，因此纳米氧化铝溶胶能在这些领域中得到广泛的应用，是无机材料领域研究的重点和热点［7－9］。

研究织物对纳米氧化铝溶胶的吸附可帮助了解织物结构与纳米溶胶之间的作用，揭示吸附方式与功能的内在关联［10］，对进一步研究溶胶-凝胶法对织物的功能整理将具有很大的帮助，因此，本文对纳米氧化铝溶胶在棉织物上的吸附模型进行了研究，建立了平衡吸附量预测模型，为今后的实验室研究以及工厂生产提供指导。

1 实验部分

1.1 试样与试剂

织物:纯棉织物(29.53 tex×36.91 tex，503.94根/10cm×263.22根/10cm)，经过退、煮、漂、丝光处理(上海华纶印染有限公司)。

药品:硝酸(65% ～68%，分析纯，平湖化工试剂厂);九水硝酸铝(分析纯)、氨水(25% ～28%，分析纯)均由国药集团化学试剂有限公司提供。

1.2 仪器与设备

YL8023B1化学实验控温微波仪(上海亚联微波科技有限公司);TE412-L电子天平(上海志威电器有限公司);S82-1磁力搅拌器(北京赛多利斯仪器系统有限公司);Prodigy电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP，美国瓦里安公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 纳米氧化铝溶胶的制备

60℃恒温磁力搅拌下，在一定浓度的硝酸铝溶液中逐滴缓慢地滴加氨水，直至pH值为9.0～9.5，反应得到白色黏稠状的物质，经过抽滤、洗涤，40～60℃下干燥后得到白色固体;然后向白色固体的水溶液中滴加硝酸，调节pH值为3.5～4.5，并微波加热回流1 h，得到澄清透明的纳米氧化铝溶胶。

1.3.2 纳米氧化铝溶胶在棉织物上的吸附

将织物在纳米氧化铝溶胶中浸渍1 h，然后在80℃下预烘8 min，170℃下焙烘2 min。采用美国瓦里安公司的电感耦合等离子体发射光谱(ICPAES)测定织物上Al元素含量。

1.3.3 吸附模型的确立

吸附实验均在室温下完成，采用等温条件下吸附量与吸附质量浓度之间关系的吸附等温线表示平衡吸附量 Qe［11－13］，采用 Langmuir 和 Freundlich 吸附模型对附量Qe进行模拟分析。

1.3.3.1 Langmuir吸附模型 本文采用的Langmuir模型为简化模型，主要进行如下假设:1)纳米氧化铝溶胶在织物上的吸附为单分子定域可逆吸附;2)实验使用的棉织物为表面均匀的基质，对氧化铝溶胶均匀吸附;3)微波辅助法制备得到的氧化铝溶胶表面均匀，和棉织物表面吸附位点之间的作用均一，氧化铝溶胶之间无相互作用。

Langmuir吸附方程为

式中:Qe为平衡吸附量，mg/g;Vm为吸附剂处于饱和状态时的最大吸附量，mg/g;Ce为吸附平衡时溶液中吸附质的质量浓度，g/L;KL为吸附平衡系数，L/g，代表吸附能力的强弱，与吸附质的本性及温度有关。

1.3.3.2 Freundlich吸附模型 采用Freundlich模型时进行如下假设:1)纳米氧化铝溶胶在织物上的吸附为单分子定域可逆吸附;2)纳米氧化铝溶胶之间的相互作用只发生在邻近分子之间。

Freundlich方程为

式中:KF为Freundlich吸附系数，与吸附质的性质和吸附条件有关;n为Freundlich常数。

1.3.3.3 优化算法 采用最小二乘拟合中的麦夸特(Levenberg-Marquardt)算法，并通用全局优化法(universal global optimization)进行优化。

2 结果与讨论

为研究纳米氧化铝溶胶在棉织物上的吸附模型，本文采用ICP测定浸轧纳米氧化铝溶胶后棉织物上的Al含量作为平衡吸附量Qe(见表1)。由于整理时铝溶胶中铝含量是过量的，吸附到织物上的铝元素含量相比较之下很小，可忽略不计，所以Ce的大小近似等于C0的值。

2.1 Langmuir非线性拟合

研究表明，若要了解吸附数据是否符合Langmuir等温式，应该用Langmuir方程的曲线形式(非线性方程，见式(1))对实验数据进行拟合［14－15］。根据式(1)对表 1 中的 Qe和 Ce数据进行拟合，判断棉织物对纳米氧化铝溶胶的吸附是否符合Langmuir吸附模型，结果如图1所示。

表1 不同初始浓度下的平衡吸附量与吸附平衡浓度Tab.1 Equilibrium adsorption capacity and adsorption equilibrium concentration at different initial alumina concentrations

图1 纳米氧化铝溶胶在棉织物上吸附的Langmuir非线性拟合Fig.1 Langmuir model description for sorption of nano Al2O3sol on cotton fabric simulated by non-liner fit

模拟结果表明，棉织物对纳米氧化铝溶胶的吸附符合Langmuir吸附模型，属于单分子层吸附。棉织物对纳米氧化铝溶胶的最大吸附量 Vm为126.19 mg/g，吸附系数 KL为 4.23 ×10－3L/g，相关系数RL=0.9972(RL2=0.9944)。吸附的Langmuir方程为

2.2 Freundlich非线性拟合

由于棉织物表面实际是不均匀的，在吸附过程中会形成不同类型的活性中心，而这些活性中心对氧化铝溶胶的吸附作用是不同的。同时，纳米氧化铝溶胶由于表面能的关系，相互之间也存在一定的作用力，因此，采用Langmuir吸附模型对吸附过程进行描述会产生一定的偏差。

由于Freundlich吸附方程能描述稀释水溶液在不均匀表面条件下的吸附过程，因此也适用于较低浓度下溶胶的吸附。同时，Freundlich吸附方程也能够考虑吸附分子间的相互作用［16］，因此本文还采用Freundlich非线性方程(式(2))对实验数据进行了拟合，拟合曲线如图2所示。

图2 纳米氧化铝溶胶在棉织物上吸附的Freundlich非线性拟合Fig.2 Freundlich model description for sorption of nano Al2O3sol on cotton fabric simulated by non-liner fit

模拟结果表明，棉织物对纳米氧化铝的吸附同样符合Freundlich吸附模型。Freundlich吸附系数KF=0.64，n=1.095，相关系数 RF=0.9978(RF2=0.9956)，其方程可表示为

以上实验结果表明，棉织物对氧化铝的吸附既可使用Langmuir吸附等温方程来描述，也可使用Freundlich吸附等温方程式来描述。但从数据分析结果来看，采用Freundlich进行拟合的相关性更好。同时，由于棉织物表面实际是不均匀的，且纳米氧化铝间也存在一定的作用力，采用Freundlich热力学吸附模型描述氧化铝在棉纤维上的吸附更为适合。这一结果说明氧化铝在纤维素纤维上的吸附以氢键和范德华力结合为主。

3 结论

本文对纳米氧化铝溶胶在棉织物上的吸附模型进行了研究。结果表明:Langmuir等温吸附方程中最大吸附量为126.19 mg/g;Freundlich等温吸附方程中吸附系数为0.64。采用Freundlich等温吸附模型处理纳米氧化铝溶胶在棉织物上的吸附具有较好的相关性。

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Adsorption kinetics of nano alumina sol on cotton fabrics

HU Xiaoxia1，DU Yingying2，PAN Chengyu1，XING Yanjun1
(1.Key Laboratory of Science ＆ Technology of Eco-Textile，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai201620，China;2.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，Shanghai201114，China)

Cotton fabric was treated with nano alumina sol with Al(NO3)3as precursor.The content of alumina sol on cotton fabric was determined by ICP.The kinetics adsorption of nano alumina sol on cotton fabric was simulated with Langmuir and Freundlich adsorption models.The simulation showed that the alumina adsorption of cotton fabric matches Langmuir and Freundlich adsorption isotherms equation well.For Langmuir adsorption model，the adsorption of nano alumina sol on cotton fabric belongs to monolayer chemical adsorption with the maximum adsorption capacity 126.19 mg/g，adsorption coefficient 4.23 ×10－3L/g and correlation coefficient 0.9972.For Freundlich adsorption model，adsorption coefficient is 0.64 with constant 1.095 and correlation coefficient 0.9978.The bigger correlation coefficient on Freundlich model indicates that the alumina sol adsorption of cotton fabric better matches Freundlich adsorption isotherms equation.It suggests that the hydrogen bond and van der Waals force are the main interaction between alumina and cotton fabric.

nano alumina sol;cotton fabric;adsorption model;correlation coefficient

TS 195.5

A

10.13475/j.fzxb.20140503004

2014－05－17

2014－12－09

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2232013A3－05，CUSF-DH-D-2014036)

胡晓霞(1987—)，女，博士生。研究方向为功能织物与光催化材料。邢彦军，通信作者，E-mail:yjxing@dhu.edu.cn。