纤维素气凝胶复合材料制备及其吸附性能研究进展

纤维素气凝胶复合材料制备及其吸附性能研究进展

张璐璐1,2,3

（1. 陕西地建土地工程质量检测有限公司，陕西 西安 710075；2. 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710021；3. 陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710021）

摘要：

纤维素是一种具有良好的生物可降解性，环境友好性，且价格低廉，来源广泛的生物质材料，其重要发展方向之一就是用于制备纤维素基吸附剂。但由于纤维素的官能团较为单一，导致其对染料的吸附效果不佳。因此，怎样开发和研制新型的、具有高吸附性能的纤维素复合材料吸附剂，对其在该领域的进一步应用具有重要意义。

关键词：纤维素；气凝胶；复合材料；模板法

1 染料废水处理现状

1.1 染料废水来源及特性

由于近年来印染、皮革、纺织和化妆品等具有严重污染物排放工业的迅速发展，我国染料废水排放量正在逐年增加。在许多发达国家，由于受环境保护相关法律的规制和约束，某些涉及会对生态环境和人类健康造成严重威胁的染料已经被杜绝生产或者转移到一些发展中国家去生产。然而在我国，由于染料合成技术和经济状况等相关条件相对落后，某些重污染、重毒性的染料品种仍然在生产，这对人类健康以及生态环境产生了严重的威胁。虽然我国的印染工业如今位居世界第一，但与此同时我们也是工业废水排放的大户，据统计，我国印染废水的排放量约为300～400万吨/天[1]，如果任由其发展，它带来的后果将不可想象。

工业上还在使用各种各样不同类型的染料，其中包括碱性、酸性等多种类型的染料。大多数印染废水中染料多为含偶氮键、多聚芳香环的复杂化合物，并随种类和加工工艺的不同而异，所以大部分染料废水成分复杂、毒性强、色度深。这类废水降低了光透过率，影响水生植物的生长，且通常含有多种具有生物毒性或致癌、致畸、致突变性能的有机物对人类健康也造成了严重的威胁，因此一直是工业污水处理的难点。

1.2 染料废水处理现状

染料废水中除了大量的染料分子外，还有其他易造成污染的物质，如染料合成中间体、助剂等，因此具有磺酸基、硝基、氨基等基团的芳香族衍生物及汞、铬、锌等具有一定毒性的重金属离子也大量存在于染料废水中[2]。由于不同批次、不同种类的染料和不同的合成工艺，酸碱用量均不一致，所以染料废水的酸碱性变化较大，这给染料废水的处理过程带来很大难度。

目前已有物理、化学和生物等可用于含染料废水的脱色处理和降解的方法。如电解法、超滤法、光氧化法、化学絮凝沉淀法、离子交换法、化学氧化法、吸附法、渗析法等物理化学处理方法，厌氧—好氧工艺法、好氧工艺法、厌氧工艺法、生物固定化技术、絮凝法、生物吸附法等生物处理方法都可用于含染料废水的处理[3]。

虽然目前已有很多应用于废水治理的方法和技术，但由于含染料废水的色度高，官能团复杂等特殊性，一些适用于含重金属离子废水和难降解有机物的废水处理方法对于含染料废水的处理效果不是很理想。基于来源广泛、吸附有效、过程易于操作和消耗成本较低等多方面因素的考虑，吸附方法是应用于染料废水治理工作的一种有效且可操作性强的一种方法。由于吸附法的材料制备价格低廉，过程操作简单灵活，并且没有二次污染等种种副作用，因此成为了目前处理废水中染料的最常用的方法[4]。目前在工业上常用的吸附材料主要包括活性炭吸附剂、天然矿物吸附剂、纤维素及其衍生材料吸附剂等。采用纤维素气凝胶作为吸附剂凭借其原料广泛性、功能可调性、可回收性、可操作性强等优点，成为了如今制备各种纤维素复合吸附材料的热点。

2纤维素的结构及特性

纤维素是自然界分布最多最广的一种多糖，是地球上最丰富的天然高分子物质，是一种可再生资源，且具有价格低廉、无毒、可降解、良好的生物相容性等优点。同时，纤维素本身就具有一定的吸附作用[5]，天然含有纤维素物质可直接利用为吸附剂，如大豆壳吸附过氧化物，木屑、锯屑、谷壳、咖啡渣、茶渣可以除臭，稻草杆吸附油脂等。但直接利用天然纤维素为吸附剂，由于纤维素官能团单一，吸附容量小，选择性差，致使其应用受到许多限制[6]。这是由于纤维素中有大量羟基的存在，使其在分子链间和分子链内部广泛形成了氢键，聚合度可达10000以上。这种羟基覆盖且聚合度高的结构影响了其反应活性，难以在实际生产中大规模使用。为了扩大纤维素基材料的适用性，使其可以广泛应用，同时满足特定材料的使用性能要求，必须对其进行改进使其具有更加优良的特性。

同时，在气凝胶材料逐步进入产业化的今天，纤维素气凝胶材料相比于其他类吸附材料在来源和成本控制上均具有无法比拟的优势

3纤维素气凝胶材料对染料吸附现状

纤维素气凝胶一般是用天然纤维素通过物理法或化学法处理后得到纤维素纤维。通过纤维素纤维在一定的条件下生成纤维素水凝胶，进而通过冷冻干燥法制得的气凝胶材料。其所具有的孔结构的一个重要性质是其具备相互连通性，并且具有特有的孔结构。在这种特点的具有开孔的材料中，不论是气体或液体都可以轻易地从一个孔流向另一个孔，最后可以通过整块材料。所具有的这种性质使

得气凝胶材料在气相催化剂、吸附剂和化学气相渗滤等许多方面很有效的可利用材料。气凝胶特有的开孔结构使其具有高孔隙率，以及高比表面积特点使其本身具有特别有效的吸附能力，这种非常强大的吸附能力在废水处理、空气净化等众多领域中均具有非常值得期待的可应用前景。

纤维素气凝胶是第三代气凝胶，具有无机气凝胶和聚合物气凝胶一些共性，与此同时融入了自身优异的特性，例如绿色可再生性，良好的生物相容性以及易降解性等，在生物制药，化妆品生产及污水净化等许多领域都具有极其可观的应用前景。纤维素气凝胶用的是世界上含量最为丰富且可持续再生，且对生态环境无污染的纤维素为原料。所以，研究和开发出更多种类的具有更加优良的吸附性能以及其他各种功能的纤维素气凝胶复合材料成为了人们现今关注的重点。

目前，已经有公司突破技术难题，成功的进入到了纤维素气凝胶工业化生产的中试阶段，它们采用回收的废纸浆材料作为原材料，利用常温差压干燥技术实现了纤维素气凝胶的绿色可持续生产，由于其以废纸为原料，对环保做出了非常大的贡献，这一生产在纤维素气凝胶的应用上迈出了巨大的进步。

改性之后的纤维素表面含有大量的羧基，但是其官能团相对来说还是比较单一，吸附效果较弱，需要使其与其它材料复合以用来提高纤维素气凝胶的吸附性能。因此，开发和研制新型的、具有高吸附性能的纤维素类复合材料吸附剂，对其在该领域的进一步应用具有及其重要的意义。

4结论

大多数工业废水中都含有有机染料，例如印刷、化妆品、皮革、和纺织。大量研究表明这些有机染料具有致癌、致畸、诱变等多种危害，严重者还会导致呼吸道疾病。因此，从水中去除这些有机染料十分迫切。本文综述了近几年纤维素基复合材料用于染料废水处理的现状，为后续纤维素基材料的发展与应用提供新的思路。

基金项目：

西安市科技计划项目（22NYYF028），陕西省土地工程建设集团内部科研资助项目(DJNY-ZD-2023-2，DJNY-YB-2023-21)。

参考文献

[1]赵燕,付丽红,张业聪.阴离子交换纤维对直接染料的吸附性能研究[J].中国皮革,2009, (13): 21-25.

[2]钟明良.甘蔗渣再生纤维素微球对牛血清蛋白的吸附性能研究[D].广西大学,2014.

[3]Annadurai G, Juang R S, Lee D J. Use of cellulose-based wastes for adsorption of dyes from aqueous solutions[J]. Journal of Hazardous Materials, 2002, 92(3):263-274.

[4]Sakkayawong N, Thiravetyan P, Nakbanpote W. Adsorption mechanism of synthetic reactive dye wastewater by chitosan.[J]. Journal of Colloid & Interface Science, 2005, 286(1):36-42.

[5]Liu K, Chen L, Huang L, et al. Evaluation of ethylenediamine-modified nanofibrillated cellulose/chitosan composites on adsorption of cationic and anionic dyes from aqueous solution[J]. Carbohydr Polym, 2016, 151:1115-1119.

[6]Zhu X, Wen Y, Dong C, et al. Cationic amphiphilic microfibrillated cellulose (MFC) for potential use for bile acid sorption[J]. Carbohydrate Polymers, 2015, 132:598-605.