隨著工業和人日數量的不斷增加，對環境的污染也愈發嚴重，其中水體中重金屬污染問題尤為突出。水體中的重金屬很難進行降解，并且重金屬具有富集性，當其進入生態系統，會對植物及動物產生影響，并通過食物鏈在生物體內發生傳遞，使人類的身體健康受到嚴重危害。相對于其他重金屬污染，六價鉻離子污染的危害性更大，是國際公認的最危險的廢物之一。Cr(VI)不僅對生態環境造成危害，還可以通過消化道和皮膚進入人體，富集在肝和腎中，同時可能通過呼吸在肺部積存。因此，由于鉻污染的嚴重危害性，對其無害化處理已經十分必要。

　　目前，處理含鉻廢水的技術主要有:化學沉淀法、電解法、離子交換法、膜技術和生物法等，但都各自存在一定的局限性，如沉渣量較大，含水率較高，易產生二次污染，處理成本較高等。因此，綜合各方面因素，采用吸附法并選取高效吸附劑已成為處理重金屬廢水的優選，并具有廣闊的研究前景。吸附法具有高效、節能、可循環利用的特性，因此，研究和開發高效吸附劑對含鉻廢水進行高效處理，改善環境污染問題具有重要的現實意義。

　　本文以PAN纖維為原料，通過接枝偕胺肪基團，使改性纖維含有大量的偕胺肪富電子官能團，可實現對六價鉻的有效吸附，并且在微波條件下進行本實驗，可以有效縮短制備時間，為快速制備應急材料提供了可能。

　　實驗部分

　　1. 1儀器與材料

　　實驗儀器:COOLPEX-E型微波反應儀;T6型紫外可見分光光度計;FE20型精密pH計;JA2003型電子分析天平;SHA-C水浴恒溫振蕩器等。

　　實驗材料:聚丙烯睛纖維(市售)，北京融耐爾工程材料有限公司提供;鹽酸輕胺、無水碳酸鈉、丙酮、二苯碳酞二阱、重鉻酸鉀等實驗所用試劑皆為分析純。

　　1. 2實驗方法

　　1. 2. 1 PAN改性纖維的制備

　　將市售PAN纖維剪成每段2 —3 cm，作為原材料。取纖維原材料2g，加入到500 mL的三日瓶內。之后分別稱取4g鹽酸輕胺、3g碳酸鈉，加入一定量的水配成溶液，再將2種溶液充分混合均勻，此過程中所加的去離子水的總量為100 mL。將混合溶液倒入三日瓶內，并連接反應裝置，在微波加熱110℃條件下攪拌5 min，反應結束后待溫度降到室溫將三日瓶取出，并將改性后的纖維用水洗至中性，放入60℃干燥箱內烘干待用。

　　本實驗是在微波加熱的條件下，以PA N纖維為原材料，通過與鹽酸輕胺發生肪化反應，接枝偕胺肪基團，成功制備出AOPANFmw，并結合其反應機理，得到如圖1所示的合成反應方程式。

　　1. 2. 2 PAN改性纖維的定量判斷方法

　　改性纖維的增重率是指改性纖維的質量相對于原PAN纖維的增加質量與原PAN纖維的質量的百分比。由于本實驗采取化學接枝法使氰基轉化成偕胺肪基團，偕胺肪基團變大，相對分子質量增加，宏觀表現為纖維質量的增加。增重率越高，表明纖維的氰基轉化率越高，偕胺肪基團的含量也越高。因此，此百分比可作為改性纖維的定量分析依據，同時將其作為改性纖維最佳制備條件的選擇依據，其計算方法如式(1)所示:

　　式中:m0為原PAN纖維的質量(g) ;mm為改性后纖維的質量(g)。

　　1. 2. 3 PAN改性纖維對Cr(VI)的吸附實驗

　　取一定量經過酸處理并干燥好的改性纖維加入50 mL 100 mg / LCr( VI)溶液中，調節溶液的pH值為5，將其置于水浴恒溫振蕩器中，25℃下充分接觸一定時間，采用二苯碳酞二阱分光光度法測定剩余C r(VI)離子的濃度，并經過計算得出相應吸附容量，將其作為改性纖維吸附能力的判定依據。該改性纖維對C r(VI)吸附容量的公式見式(2)：

　　式中:C0為C r(VI)離子溶液的初始濃度(mg/L);C為Cr(VI)離子溶液的終點濃度(mg / L);V為溶液的體積(L);m為所取纖維的質量(g) ;Q為纖維對Cr(VI)離子吸附容量(mg/g)。

　　2結果與討論

　　2. 1改性纖維制備條件優化

　　本實驗研究在微波條件下，探究不同反應溫度、反應物投加比(鹽酸輕胺的質量:Na2CO3的質量)、反應時間、浴比(溶液質量:纖維質量)對AOPANFmw的增重率的影響，并采用正交法優化制備條件，得出制備改性纖維的最佳條件。實驗使用L9 (3^4)正交表，將反應溫度、反應物投加比、反應時間、浴比作為4個考察因索，并選取各因索中有意義的3個水平進行正交實驗，得到相應正交實驗水平因索表如表1所示，并將具體實驗設計及通過實驗所得的實驗結果列于表2。

　　由表2極差分析結果可以得出，4個因素對改性纖維的增重率的影響大小順序是:反應物投加比>浴比>反應時間>反應溫度。4因素中，反應物投加比對纖維的增重率有非常顯著的影響。因此，在正交實驗設計范圍之內，優化得到改性纖維制備的最佳條件為:反應溫度105 ℃、反應物投加比4:3、反應時間7 min ,浴比40:1。

　　按最佳反應條件進行3次平行實驗，測得改性纖維的增重率平均值為41.4%，高于表2每項實驗結果。因此，反應溫度105 ℃、反應物投加比4:3、反應時間7 min ,浴比40:1為AOPANFmw制備的最佳條件。

　　2. 2改性纖維的測試結果

　　2. 2. 1紅外光譜表征結果

　　通過紅外表征，由圖2可知，對于原纖維a，在3 467 cm-1附近出現強而寬的吸收峰，這主要是由于纖維吸水導致水的Vo-h。伸縮振動峰出現，在2 940cm-1和2 873 cm-1處出現了兩個特征吸收峰，這是PAN纖維主鏈上一CH2一的Vas反對稱伸縮振動峰和Vs對稱伸縮振動峰。2 244 cm-1是VCN氰基的特征伸縮振動峰，該吸收峰較強，并且峰形尖銳，說明原纖維中一CN的含量較高。改性后纖維b，在3 436 cm-1附近出現強而更加寬的吸收峰，這是偕胺肪基的Vn-h和Vo-h的特征伸縮振動峰締合的結果。同時在1 645 cm-1處出現了基團肪的Vc-n的伸縮振動峰，在1 105 cm-1處出現Vc-n的伸縮振動峰，以及在921 cm-1處出現了明顯Vn-o伸縮振動峰。此外，VCN氰基的特征伸縮振動峰明顯變小，但仍存在，表明只有部分氰基發生了反應，轉化成偕胺肪基。因此，通過紅外圖譜的對比，表明偕胺肪基已成功接枝在PAN纖維上，成功改性PAN纖維，合成出AOPANFmw。

　　同時觀察吸附鉻后的纖維c,Vn-h和Vo-h的特征吸收峰向低波數方向移動，是由于N,O原子的孤對電子轉移到金屬離子的空軌道上，使N-H , O-H之間的極性增加，導致了吸收峰向低波數方向移動，這說明了輕基和氨基參與了配位。同時，Vn-o、Vc-n、Vc=n向高波數方向移動，是由于與鉻離子發生配位時，導致N-O鍵、C-N鍵、C =N鍵之間的電子石密度增加，使鍵的力常數值增大，產生吸收峰向高波數移動現象。因此在紅外譜圖中出現峰的偏移，證明了AOPANFmw可有效吸附鉻。

　　2.2.2元素分析結果

　　通過EDS測試，得到吸附Cr( Vl)改性纖維的能譜圖見圖3，原纖維、改性纖維及吸附Cr( Vl)纖維的元素組成對比見表3。原PAN纖維的組成元素有C,O,N，對比改性纖維的元素成分，C含量降低，通過肪化反應使氰基變為偕胺肪基，由于基團變大，其相對分子質量也增大，所以C含量降低。對于N元素，由于改性接枝上氨基，N原子數量增多，但同時分子整體相對分子質量增加值比N原子質量增加值大，使N含量降低。對于O元素，改性后纖維接枝上輕基，O含量則增加較多。通過測試數據所表明的纖維組成元素的變化，可以證明纖維已經成功接枝上偕胺肪基團。而對于吸附鉻之后的改性纖維，觀察到C:元素的峰形明顯，說明纖維已成功實現對鉻的吸附，具有特征吸附性。

　　2. 3 PAN改性纖維對C r ( VI)的吸附實驗

　　實驗取0. 050 g原纖維及酸處理好的纖維分別加入50 mL 100 mg / L Cr( VI)溶液中，在pH為5，溫度為25 0C條件下吸附。分別在1 min,5 min、10 min,30 min、1 h,2 h,4 h,7 h和8h時間點取樣，測定其吸附量，得到不同吸附時間段內纖維改性前后對Cr( VI)的吸附效果的曲線圖，如圖4所示。由圖4可知，原纖維a對Cr( VI)無有效吸附。改性纖維b隨著吸附時間的增加，對Cr( VI)的吸附量逐漸增大，7h達到吸附平衡。在吸附2h時間段內，Cr( VI)的吸附量迅速增加，是由于溶液中Cr( VI)的濃度較高，且纖維表面的活性位點很多，因此吸附速率較快。當吸附時間在2一7h時間段內，隨著吸附時間的增加，吸附速率減小，是因為改性纖維表面大量的活性吸附位點被占據，導致吸附速率下降，最終7 h達到吸附平衡。繼續增加吸附時間，對Cr( VI)的吸附量變化不大，因此吸附最佳時間為7 h，對應的飽和吸附量為69. 55 mg / g。

　　2. 4共存陰離子對C r ( VI)吸附效果的影響

　　實驗稱取4份0. 100 g酸處理好的纖維，分別加入50mL 100 mg / L Cr( VI)離子溶液中，并取其中的3組按陰離子與Cr()離子的摩爾比為1:1分別投加Cl- ,SO4^2-和NO3-離子，另一組不加干擾離子。實驗在pH為5，溫度為25℃條件下，吸附7h，進行測定。

　　由圖5可知，不同陰離子共存時，會對Cr( VI)的吸附產生一定影響，其中NO3-和 Cl-對Cr( VI)的吸附影響很小，SO4^2-離子對Cr(VI)的影響偏大，這是因為改性纖維表面的基團對Cl-離子和NO3-離子的親和力較小，與Cr(VI)的競爭吸附作用較弱，而SO4^2-離子的親和力較強，由于其帶有2個單位的負電荷，會較多占用吸附位點，競爭吸附作用較強，使纖維對Cr(VI)的吸附量下降。雖然存在共存陰離子會對Cr(VI)的吸附產生影響，但其去除率仍能在90%以上，可以實現改性纖維對Cr(VI)的特征吸附。

　　2. 5改性纖維再生性能研究

　　吸附材料的再生性和重復利用性是衡量一種新型吸附材料有效性的一項重要指標，因此，當AOPANFmw吸附Cr(VI)后，必須對其進行洗脫再生測試。通過圖4實驗數據可知:當吸附時間在0一120 min范圍內時，改性纖維對Cr(VI)的吸附量增加趨勢較大，但超過120 min其吸附增量較小，增速比較緩慢，并且當吸附時間為120 min時，纖維對Cr(VI)的吸附量可達飽和吸附量的80%，因此，在進行纖維再生性能測試的實驗中，所確定的纖維吸附Cr(VI)的時間為120 min 。

　　實驗取0. 050;的酸化后的改性纖維，放入50 mL 100 mg/ LCr( VI)溶液中，20℃吸附2h。吸附完成后，測定并計算得出相應的吸附容量。將纖維取出，用水洗至中性。本實驗選取硫酸溶液為洗脫液，因此，將處理好的纖維加入1 mol /L的H2SO4溶液中，室溫下振蕩解吸附1h后，用水洗滌纖維至中性，放入真空干燥箱中干燥，即得再生纖維。對AOPANmw吸附/解吸附5次循環實驗后，得到使用次數對改性纖維吸附Cr(VI)效果的影響圖，如圖6所示(實驗以第一次的吸附能力作為100%)。

　　從圖6中可看出，經3次循環使用后，改性纖維的脫附能力略有下降但變化不大，經過5次吸附后，改性纖維的吸附量仍可以達到第一次吸附量的80%以上，因此從整體來看，使用次數對改性纖維的吸附能力影響不大，說明再生過程中H2SO4不會對吸附材料的偕胺肪基官能基團產生明顯破壞，AOPANFmw具有良好的化學穩定性;另一方面，這也表明制得的AOPANFmw具有可循環使用的優點，在重金屬污染廢水處理領域具有廣闊的應用前景。具體參見污水寶商城資料或http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

　　3結論

　　1)利用正交實驗對反應條件進行優化，在微波作用下，得到反應溫度為105℃、反應物投加比4:3、反應時間7 min ,浴比40:1作為AOPANFmw制備的最佳條件。

　　2)通過紅外光譜測試及元索分析表明偕胺肪基已經成功引入，證明纖維改性成功。并且通過實驗得出AOPANFmw對Cr(VI)有較好的吸附性能，應用前景良好。

　　3)改性纖維在溫度為2s℃條件下，對Cr(VI)進行吸附，達到吸附平衡的時間為7h，對應飽和吸附量為69. 55 mg/g。當存在多組分干擾離子時，對Cr(VI)的吸附性能影響不大。

　　4)改性纖維經3次循環使用后，其脫附能力略有下降但變化不大，經過5次吸附后，改性纖維的吸附量仍可以達到第一次吸附量的80%以上，因此，AOPANFmw具有良好的化學穩定性。