多功能纤维素纤维同步去除水中阴阳离子污染物的吸附机制与性能研究

本研究针对废水中重金属离子污染难题，开发了磷酸化-硅烷化双功能修饰的纤维素纤维（FPS），通过系统吸附实验证实其对Cu2+和CrO42?的同步去除能力。该材料在3分钟内可去除80%污染物，最大吸附容量分别达117.0 mg/g和97.63 mg/g，为低成本水处理技术提供新策略。

　　

随着工业废水排放量激增，重金属污染已成为全球性环境挑战。铜、铬等重金属离子对水生生态系统和人体健康具有显著危害，开发高效低成本的吸附材料迫在眉睫。传统吸附剂如活性炭存在成本高、再生困难等问题，而天然生物聚合物纤维素虽来源广泛，但其表面羟基反应活性低，限制了吸附性能。近期发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究通过双重功能化策略，赋予纤维素纤维同步捕获阴阳离子的独特能力，为废水治理提供了创新解决方案。

本研究采用磷酸化与氨基硅烷修饰相结合的工艺，对漂白软木浆纤维进行双重功能化。关键技术包括：通过酯化反应实现纤维素磷酸化，继而利用(3-氨丙基)三乙氧基硅烷（APTES）进行硅烷化接枝；采用批次吸附实验评估材料对Cu²⁺和CrO₄^2?的吸附性能；结合扫描电镜-能谱（SEM-EDX）、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）解析吸附机制；运用两阶段Langmuir和Dubinin-Astakov模型拟合吸附等温线。

3.1 吸附动力学与等温线

吸附动力学显示，FPS在3分钟内可去除80%以上的污染物，20分钟达到平衡，表明其具有极快的吸附速率。等温线实验表明，Cu²⁺和CrO₄^2?的吸附均符合IV型混合等温线特征，Dubinin-Astakov模型拟合优度最高（R²>0.984）。两阶段吸附行为归因于材料表面存在磷酸基和氨基两类活性位点，分别通过离子交换和配位作用实现协同吸附。Cu²⁺吸附容量达117.0 mg/g，CrO₄^2?为97.63 mg/g。

3.2 吸附机制分析

XPS和FT-IR表征揭示：CrO₄^2?主要通过质子化氨基（-NH₃⁺）的静电作用吸附；Cu²⁺则同时与磷酸基发生离子交换、与氨基形成配位键。SEM-EDX图谱显示金属离子在纤维表面均匀分布，且Cu²⁺在氨基富集区域浓度更高，证实了多位点吸附机制。在pH=2的酸性条件下，磷酸基质子化减弱了与CrO₄^2?的静电排斥，而pH=5时氨基与磷酸基的氢键作用促进了Cu²⁺吸附。

3.3 多离子同步吸附性能

在二元（Cu²⁺/CrO₄^2?）和四元（Cu²⁺/Pb²⁺/Ni²⁺/CrO₄^2?）体系中，FPS对阴阳离子的同步去除率均超过50%，其中Cu²⁺和Pb²⁺的去除率可达100%。吸附后纤维颜色变化直观反映了不同金属离子的负载，证实其作为广谱吸附剂的潜力。

本研究通过理性设计双功能纤维素纤维，实现了对重金属阴阳离子的高效同步去除。材料兼具快速动力学（3分钟达80%吸附）、高容量（>97 mg/g）和低成本优势，克服了传统吸附剂选择性单一的局限。吸附机制研究为多功能吸附材料开发提供了理论依据，对复杂成分废水治理具有重要应用价值。