木棉纤维在废水处理中的应用现状*

廉丽琴，李凌萱，张 震

(1 华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510641；2 青海大学新能源光伏产业研究中心，青海 西宁 810003)

天然纤维素纤维是人类日常生产生活中非常重要的材料之一，而且分布范围广泛。近现代以来，科学技术和工业化的发展使得社会的能源被大量消耗，天然纤维由于具有再生性，对环境无污染，且容易被降解等特性，受到了社会各界的广泛关注。

通过调研发现，木棉纤维在废水处理方面有着广阔的应用前景。但通过文献检索发现几乎没有木棉纤维应用在废水处理方面的相关综述。因此，本文主要对木棉纤维及其改性材料的吸附性能在废水处理方面的应用进行论述。

1 油水分离

木棉纤维对各种液体的吸附特性取决于纤维的形态结构、化学成分、纤维表面自由能和液体特性等因素，其中表面蜡质和木棉纤维的中腔结构是木棉纤维表面疏水亲油性能的主要原因。相关研究表明，国际上最早见于报导的是Kobayashi等[1]关于木棉纤维吸油性能的测试。孙向玲等[2]采用光学接触角测量仪OCA15EC测试不同特性的液体在木棉纤维上的静、动态接触角发现木棉纤维具有优良的亲油拒水性，木棉纤维与机油、废油和色拉油的静态接触角均小于60°，但其与水的接触角大于130°；不同的液体表面张力和豁度差异可导致铺展速度不同，水在木棉纤维表面形成液滴，稳定且不铺展，机油、废油等则会在木棉纤维表面快速展开，但3种油液铺展规律类似。

图1 木棉纤维上的机油、废油、色拉油Fig.1 Oil, waste oil and salad oil on kapok fiber

图2 木棉纤维上的水Fig. 2 Water on kapok fiber

然而，由于其光滑的纤维表面的蜡涂层，使其难以有效地保留油[3]。通过表面功能化进一步提高木棉纤维的吸油能力和疏水性，可以成为更有效、更经济的天然吸附材料。

近年来，许多研究试图改善木棉纤维的疏水性和亲油性。Abdullah等[4]对比研究了酸处理和碱处理的炭化木棉纤维的吸附能力。研究发现经盐酸处理过的木棉纤维对柴油、汽油和旧植物油的吸油率均高于经氢氧化钠处理过的木棉纤维。与未处理的木棉和氢氧化钠处理的木棉炭化纤维相比，盐酸处理的木棉纤维在水系统中具有良好的油废液吸附剂性能。

Wang等[5]将聚甲基丙烯酸丁酯(PBMA)和聚苯乙烯(PS)作为改性剂，通过简便的溶液浸泡步骤，研究了不同溶剂处理对木棉纤维亲油性能的影响。Wang等[3]通过溶胶凝胶法在木棉纤维上掺入二氧化硅纳米粒子，随后用十二烷基三甲氧基硅烷通过水解进行疏水改性。Apollo等[5]以木棉天然微管为基材，制备了一种新型铜纳米粒子载体。采用表面活性剂辅助丙烯腈单体聚合的方法在微管表面沉积聚合物膜。经聚丙烯腈包覆后，木棉纤维的接触角从120.5°下降到0°，表明木棉纤维的亲水性得到了改善。

在改性木棉纤维的不同材料中，二氧化钛(TiO2)纳米颗粒的表面积大、化学稳定性良好并且毒性较低。然而，TiO2纳米颗粒是亲水性的。因此，Szeemaine等[6]通过固定化二氧化钛纳米粒子与1H，1H，2H，2H-全氟辛基-三乙氧基硅烷(PTES)分子进行功能化，成功地制备了功能化的二氧化钛-木棉纤维。经PTES改性后，二氧化钛-木棉纳米复合材料变得超疏水，水接触角约为151°。此外，功能化二氧化钛-木棉纳米复合材料的最大吸油能力明显高于原木棉。对于植物油，吸附量约为72.79 g/g。经过几次吸附解吸循环后，该值仅下降约21%。

表1 不同改性剂的处理效果Table 1 Treatment effect of different modifiers

2 废水处理

许多印染行业在生产过程中会产生染料废水，这些染料废水必须经过处理，并且符合排放限值才能排放。现已开发了几种处理染料废水的技术，如化学氧化、膜分离、生物累积、吸附和反渗透等[7]。在这些技术中，吸附因其操作方便、效率高、能量输入低以及不同吸附剂的可用性而成为首选[8-9]。

2.1 木棉纤维的结构介绍

导致纤维素中部分羟基不能被染料分子利用的主要原因是其他非纤维素和纤维素与木质素的相互作用，进而使纤维素无定形部分减少，最终致使木棉纤维的疏水性降低，染色效率低。因此，对木棉纤维进行改性来达到对染料废水的高效吸附是目前研究的重点。

木棉纤维就是一种众所周知的天然纤维素纤维。木棉纤维的基本化学组分为：纤维素、木质素、水分、灰分、木聚糖和蜡质等。因此具有良好的拒水吸油性[10]。目前中空度最高的纤维是木棉纤维，其中空率最高可以达到97%。同时，木棉纤维还具有良好的化学性能，具有较强的耐酸性和耐碱性。这些特性使得木棉纤维有良好的吸附能力，而且木棉纤维在炭化后制备的生物炭比表面积更大，吸附效果也更好[11]。同时可以反复使用。作为制备生物炭的前驱体，木棉纤维在废水处理领域有了更广泛的应用。

2.2 吸附实验

王元庆[12]将制得的木棉纤维活性炭材料吸附亚甲基蓝溶液时，反应在48 h达到了吸附平衡，吸附亚甲基蓝的三个样品的吸附量十分接近，在147～157 mg/g之间(400 mg/L时平衡吸附量)。Wang等[13]分别用NaOH和NaClO2溶液进行碱改性和氧化过程，实验对金属的去除率在95%～99%范围内，去除顺序为Pb2+>Cu2+>Ni2+≈Cd2+>Zn2+。王元庆等[14]采用浸渍磷酸氢二铵及化学活化法制备了3种木棉基活性炭纤维，对3种活性炭纤维的吸附性能进行研究表明：苯酚最大的吸附量为65.8 mg/g；亚甲基蓝最大的吸附量为156.7 mg/g。

Liu等[15]采用RSM对处理参数进行优化，得到对MB具有良好吸附性能的亲水性木棉纤维，通过统计分析得出最佳处理条件为NaClO2为0.93 g，HAc为1.42 mL，反应温度为90 ℃，吸附容量达到110.13 mg/g，吸附速度较快，60 min内达到平衡。用稀释的盐酸溶液对载MB的木棉纤维进行了有效的脱附，回收的吸附剂具有良好的重复使用性能。结果表明，经过处理的木棉纤维在阳离子染料废水处理方面具有广阔的应用前景。Nurfitri等[16]研究了用KF去除浑浊水中粘土颗粒的可能性。首先将KF在去离子水中100 ℃煮沸15 min，去除表面油脂。用蒙脱石粉悬浮液混合1 L去离子水，分为100、200、300、400 mL，作为混浊水源。KF去除水中粘土颗粒的能力是通过在一个397.9 cm3的丙烯酸柱中通过60 g处理过的KF过滤水来评估的。结果表明，处理后的KF能有效去除浑浊水中粘土颗粒，因此这种KF纤维作为一种简单而廉价的水处理工具具有价值，特别是在发展中国家。

也有研究者发现废木棉纤维经氢氧化钠和NaClO2溶液化学处理后，可用于含铅废水的治理。Runkai等[17]通过动力学研究及其等温线模型，发现化学改性木棉纤维的吸附是一个化学反应吸附过程，吸附能力随pH值的降低而降低，可与可循环的木棉纤维交换。应用化学改性木棉纤维可作为去除工业废水中铅含量的替代工具。

2.3 影响吸附效果的因素

这些研究表明许多因素会影响吸附剂对染料的吸附效果，如吸附剂的化学基团。吸附剂表面最常见的官能团是含氧官能团。表面含氧官能团对表面反应、表面行为、亲(疏)水性、催化性质和Zeta势和表面电荷等具有很大影响，从而影响吸附剂的吸附行为[18]。

染料溶液的pH值溶液初始构和电离度也会对吸附剂的吸附效果产生一定的影响，而且也影响吸附剂的官团和表面电荷。例如在碱性条件下，由于pH较高氢氧根离子有可能与染料分子形成共吸附而使脱色更易进行。

同时温度对木棉纤维的吸附效果一般具有促进作用。由于染料一般都为高分子有机物质，被吸附的高分子一般处于伸展状态，因此，这类吸附是一个吸热过程。这之中情况下，温度升高会增加吸附量。此外，生化物质吸附温度的选择，还要考虑它的稳定性。

在初始浓度一定的条件下，加入的吸附剂量是决定吸附效率的重要因素。这是因为增加的吸附剂量提供了更大的比表面积和吸附活性位点。但是复合材料的单位吸附量却与投入量成反比，这是因为吸附剂量越大，所能提供的吸附位点越多，超过了吸附点位饱和阀值，大量有效吸附位点未得到充分利用，就会导致了单位吸附量的下降[19]。

其他如吸附剂的电负性等其他因素也会对吸附剂的吸附效果产生一些影响。同时，研究表明吸附剂与染料间的吸附一般有静电吸附、离子交换、氢键、分子间力及空腔包合等机制[20]。

3 结 语

KF是一种来源丰富、可再生且无污染的植物纤维。与合成纤维相比，由于其具有天然可用性、低成本、生物降解性、轻质性和独特的管状结构，所以受到了科研领域及工业制造领域广泛关注。近年来，对KF在吸附方面的开发和利用取得了一些阶段性的成果，尤其是在吸油即油水分离方面，木棉纤维已被用作吸油剂，尤其适用于石油已意外蔓延的地区。但在染料废水的处理和重金属离子的吸附方面的研究较少，已有的研究也仅停留在理论和实验阶段，还未形成可以规模化使用的吸附材料。

在目前这种追求高效节能、绿色环保材料的时代背景下，随着技术和设备的更新换代以及无数科研工作者的持续创新和深入的研究，继续发挥木棉纤维的结构优势，将其与其他特征材料相结合，对KF进行改性，进而拓宽KF所能适用的范围，将会成为其重要的发展方向之一。