纤维素吸附材料的研究进展

黄颖莹

(上海复绿环境科技有限公司，上海 200070)

吸附法是去除环境中污染物最为快捷有效的方法之一，环境吸附材料包括多孔吸附材料、无孔吸附和纳米吸附材料，有活性炭、吸附树脂、纤维材料、石墨烯等。其中，天然高分子纤维素是重要的一种环境净化吸附材料，通过对纤维素上的官能团进行改性，使其具有较强的吸附能力和再生能力。改性纤维素的稳定性高、吸附选择性特殊、利用成本低等一系列优点使其成为环境吸附材料的一个重要发展方向[1-2]。

1 纤维素简介

1.1 纤维素简介

纤维素是一种纤维状、多毛细管的天然高分子聚合物，它的分子内含有许多亲水性的羟基基团，还具有多孔和比表面积大的特性。同时它还是地球上最丰富的可再生资源，大量地存在植物的木质部中，具有价廉、可降解性和对生态环境不产生污染等优点。常见的纤维素有棉花、甘蔗渣、稻谷壳和其他一些植物秸秆[3]。

1.2 纤维素的改性

天然纤维素是由D-吡喃葡萄糖经β-1,4糖苷键组成的直链多糖，分子内含有许多亲水性的羟基基团。纤维素改性方法有物理法和化学法，常用的是化学法。纤维素的化学改性通常是在纤维素的羟基上接入有吸附能力的官能团，使纤维素具有不同的功能特性，主要的方法有：醚化、酯化和接枝共聚等。改性的纤维素可用作吸附材料、可生物降解材料、纤维液晶材料和高性能纤维材料等[4]。

2 纤维素吸附剂

根据所带的官能团的不同，通过化学改性的纤维素吸附剂通常分为阴离子纤维素吸附剂和阳离子纤维素吸附剂两大类，在环境污染治理方面，能够用于吸附水中带正电荷的重金属离子和带磺酸基、羟基、羧基等阴离子基团的水溶性有机物，还有一些改性纤维素可以用于吸附含氯的农药残余物和脱氮等等[5]，总的来说，纤维素吸附剂在环境污染治理有很大的应用前景。

2.1 阴离子纤维素吸附剂

通过羟基衍生化反应，在纤维素的羟基上接入对阳离子具有吸附能力的阴离子基团，从而得到阴离子纤维素吸附剂。这类吸附剂在环境保护特别是吸附重金属方面的应用已经非常广泛[3,6-8]。

很多研究主要通过聚合和交联反应，在纤维素中引入阴离子官能团，从而达到改性的目的。杨瑶等采用市售脱脂棉与环硫氯丙烷在碱存在的条件下进行反应。通过开环聚合接枝反应和交联反应制成了聚硫醚型离子交换纤维。其主要化学反应过程有：

纤维素的很多衍生物，如醋酸纤维素等，也可以通过改性成为吸附材料，李杰等[12]通过磺甲基化反应，对羧甲基纤维素进行酰胺基改性，使其带上磺酸基，成为阴离子吸附材料，实验结果表明，这种材料对铅离子有很好的吸附性能，在一定条件下脱除率可达95%，1 g树脂可吸附2.7 mg铅。

很多含氮硫改性纤维具有很大的吸附容量，却有吸附选择性较差的缺陷。杨发福等[13]研究了纤维素多乙烯多胺衍生物与1,3-二环氧丙基杯芳烃反应后制备螯合树脂杯芳香烃接枝树脂的方法，该材料结合了杯芳香烃很优异的离子识别性能的特点和纤维素吸附性能的优势，研究结果表明，得到的产品对Ni2+离子有很高的吸附选择性，并且吸附容量较高，可以用氨水解吸附，有很好的重复使用性。

2.2 阳离子纤维素吸附剂

通过羟基衍生化反应，在纤维素的羟基上接入对阴离子有吸附能力的基团，从而得到阴离子纤维素吸附剂。阳离子纤维素材料广泛应用于印染工业、制糖工业、医药卫生行业等领域，在环境治理方面的应用研究较少。

孙潇等[14]研究了甘蔗渣经碱化后与3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵反应，得到蔗渣改性脱色剂的制备方法，研究结果表明该材料对蔗汁中带负电荷的色素具有不错的吸附效果。吕丽华等[15]的研究表明，纤维织物经阳离子改性剂3-氯-2-羟丙基三甲基硫酸铵改性后，再用染料进行染色，染色织物的各项指标均较好，染色性能有明显改善。王少敏等[16]提出硝化纤维素与3-氯-2羟丙基三甲基氯化铵反应制备得到的季铵型硝化纤维素吸附剂，对一种肾毒性物质-肌酐有较好的吸附性能，可以用于治疗慢性肾功能衰竭。

目前，部分学者开展了阳离子纤维素吸附剂在污水治理中的研究。张玉霞等[17]提出以芝麻杆纤维素为原料，经碱化后与三乙胺盐酸盐发生反应，反应过程如下：

研究结果表明，通过该方法改性后的阳离子纤维素对水体中的苯胺具有较好的吸附效果，由实验可知，该吸附材料对工业废水中的苯胺的去除率可达93.2%，且可使用丙酮对吸附苯胺后的材料进行解吸，解吸率高于85%。

2.3 两性纤维素吸附剂

2.4 其他纤维素吸附剂

此外，针对含氯的有机农药对水体的污染，也研发了很多纤维素吸附剂，这类纤维素吸附剂的机理比较复杂，除了离子的吸附机理以外，还有改性纤维素对大分子物质的范德华力的吸附作用，以及亲酯基团的相互吸引作用。代瑞华等的研究表明，醋酸纤维素经丙酮溶解后，滴入液体冷却剂中，制成球形吸附剂，该吸附剂外表面是一层致密的醋酸纤维素膜，内部为网状结构，该吸附剂对水中亲脂性的有机物具有较高的吸附效能，对水中狄试剂、艾氏剂、异狄试剂、七氯4种有机氯农药有较强的吸附能力，12 h后去处率均达到85%以上，并且对艾氏剂、七氯具有很快的吸附速度，0.5 h后去除率可达99%[20]。Sami等[21]采用纤维素与含有C6、C8、C12的脂肪酸酐通过酰化接枝，这种改性后的纤维对氯苯、1,4-二氯苯、硝基苯、1,3,4-三氯苯、喹等有机物有很好的吸附效果。实验结果还表明，这种吸附材料可以再生，循环使用十次后仍然保持其对有机物的吸附容量，是一种具有优异循环使用性能的材料。

3 纤维素吸附剂的发展方向

纤维素吸附材料具有比表面积大、价格低廉、可再生、使用方便等特点，是一种表现良好的环境功能材料，其在环境污染治理中的应用越来越广泛。通过对纤维素吸附材料的进一步钻研与开发，纤维素吸附材料在环保领域中将会发挥越来越重要的作用。主要发展方向有：

(1)在纤维素的衍生物基础上进行进一步的改性，制备新的高吸附性能的材料。

(2)结合其他有吸附性能材料，联合制备具有综合优良吸附性能的新材料。

(3)结合可持续发展战略，在原材料选用、产品的循环使用方面完善。

4 结 语

吸附材料是重要的环境功能材料之一，在环境污染治理方面发挥着重要的作用。纤维素吸附材料具有原料资源丰富、成本低、吸附能力强、可再生利用、无毒可降解等明显优势，具有良好的开发应用前景。但是，纤维素吸附材料仍存在一些缺陷，例如纤维素吸附材料对污染物的吸附能力受pH、温度等因素的影响较大，因此适用范围较窄，且需进一步研究纤维素吸附材料的解吸技术，提高再生能力，减少二次污染[22]。近年来，我国乃至全世界对环保问题越来越重视，经济飞速发展的同时带来的环境污染问题亟待解决，通过对环境功能材料改性纤维素的不断深入研究，纤维素吸附材料将越来越受欢迎，其在环境治理中将具有越来越广泛的应用前景。