胶原纤维吸附材料的制备及吸附性能研究

杨富帮，阮孝慈，王鹏飞，韩雪梅，邓宇

胶原纤维吸附材料的制备及吸附性能研究

杨富帮，阮孝慈，王鹏飞，韩雪梅，邓宇

（天津科技大学化工与材料学院，天津300457）

通过研究溶解温度、溶解时间和NaOH溶液浓度对胶原纤维/木素材料所制备胶原纤维吸附材料的影响，得到该实验最佳条件为：溶解温度40℃，溶解时间为30 min，NaOH质量分数为2.5%；考察了所制备胶原纤维吸附材料对不同木素溶液的吸附效果。

胶原纤维；木素；离子液体；吸附性能

木素（lignin）是一种天然的多羟基芳香类化合物[1-2]，大量的存在于植物中，它也是构成植物的主要成分，比纤维素含量稍低[3-4]。随着近些年来研究的深入，人们发现木素能够提供可再生芳基化合物的非石油资源，且来源广泛，资源丰富，其潜在价值被人们逐渐发掘出来[5]，世界各国科学家对于这一具有战略意义的生物资源给予了高度重视[6]。然而，由于木素的分子组成复杂、不均一，且存在缩合现象及分离提取困难等不利因素，造成木素至今仍没有得到充分的利用。就现在情况来说，农业废弃物和造纸工业废水中都存在大量的木素，但其利用率都较低，尤其是在制浆造纸过程中，为最大程度地保留回收纤维素，人们常常以破坏木素结构为代价。由于木素结构被部分甚至完全破坏，作为副产物，其经济价值也被降低；而在去除木素的过程中会产生大量的制浆黑液，给生态环境带来极大的污染，难以治理。因此，找到良好的分离及提取木素的方法，在经济和环保方面都有重要的研究意义。

离子液体的研究和发展为解决上述问题提供了有效的方法[7]。目前，离子液体正被作为一种新型无污染的环保溶剂和催化剂被越来越多的人们用于天然高分子物质的溶解[8-10]。

实验过程中用胶原纤维和木素在溴化-3-甲基-1-乙基咪唑（C6H11N2Br）离子液体中溶解混合后制成胶原纤维/木素材料，用碱液除去胶原纤维/木素材料中的木素，之后用所制备的胶原纤维吸附材料对木素溶液进行吸附，探究胶原纤维吸附材料对不同木素溶液的吸附性能，以便找到更好的提取木素的方法。

1 实验

1.1 实验原料及仪器

实验原料：木素；胶原纤维；氢氧化钠；乙醇。

实验仪器：SHZ-D（III）循环水式多用真空泵，上海志泽生物科技发展有限公司；XY-2000电子天平，安丘市宏光纺织仪器有限公司；DK-98-1电热恒温水浴锅，天津市泰斯特仪器有限公司；WQF-510型傅里叶变换红外光谱仪，北京北分瑞利分析仪器公司；SP-2102紫外分光光度计，上海光谱仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 胶原纤维/木素材料的制备

以1∶4的质量比分别称取木素和胶原纤维，将其在溴化-3-甲基-1-乙基咪唑离子液体中溶解，静置一段时间让其混合均匀，以1 h为时间差，每次加水为20 mL，静置60 h后真空抽滤，洗去混合物中离子液体，得到胶原纤维/木素材料，将所得材料置于鼓风干燥箱中干燥备用。

1.2.2 胶原纤维吸附材料的制备

取0.200 0 g胶原纤维/木素材料于烧杯中，并向烧杯内注入一定质量浓度的氢氧化钠溶液30 mL，于一定温度下溶解一定时间，脱出胶原纤维/木素材料中木素，得到胶原纤维吸附材料，烘干备用。

1.2.3 胶原纤维吸附材料对木素溶液的吸附

参照文献方法分别取一定量脱出木素后的胶原纤维吸附材料[11]，置于一定量的木素/NaOH溶液和木素/乙醇溶液中，在常温条件下，磁力搅拌20 min后进行过滤，之后测量滤液的吸光度大小。

1.3 木素溶液标准曲线的绘制

取1.2.2中的木素/NaOH滤液0.5 mL，稀释到一定的倍数（稀释后溶液的质量浓度分别为10，20，30，40和50 mg/L），在波长281 nm处测量溶液吸光度值。将溶液不同浓度的吸光度值大小与浓度关系绘制成C-A标准曲线，结果见图1。

图1 木素吸光度值与溶液质量浓度关系

由图1得出溶液的吸光度值大小和其质量浓度成正比关系，其C-A标准曲线关系为y=-0.01212+ 0.02568x，其中，相关系数R2=0.999 8，由关系可以看出，木素C-A关系符合Lambert-Beer定律。因此在本实验中可以通过测量溶液吸光度值来确定木素的含量。

2 结果与讨论

2.1NaOH溶液浓度对所制备胶原纤维吸附材料的影响

实验条件：将质量比为4∶1的胶原纤维/木素复合材料研磨后筛分50目左右的颗粒，于温度40℃的恒温水浴条件下，将筛分出的颗粒加入体积为26.7 mL的不同浓度的NaOH溶液中（NaOH溶液的质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%），每份颗粒质量为0.200 0 g，恒温水浴加热保持30 min后过滤[11]。设定波长为281 nm处，取0.5 mL滤液稀释至一定倍数后，测量吸光度的大小，将滤渣干燥后称重，考察NaOH溶液浓度对所制备胶原纤维/木素复合材料中胶原纤维和木素的溶出影响，结果见图2[其中（a）为木素溶出受NaOH溶液浓度的影响，（b）为胶原纤维的溶出受NaOH溶液浓度的影响]。

由图2（a）可以看出，溶液的吸光度随着NaOH溶液浓度的增加而逐渐增大，间接反映了木素溶出质量逐渐增加的结果。但是从图2（b）可以发现，当NaOH质量分数在0%～2.5%之间时，所制备的吸附材料中胶原纤维含量基本保持不变，但当NaOH质量分数增加到3%时，吸附材料中的胶原纤维含量迅速减少，这可能是NaOH溶液浓度过大造成胶原纤维溶出导致的。所以，在本实验中制备胶原纤维吸附材料选用NaOH溶液的最佳质量分数为2.5%。

图2 NaoH浓度对胶原纤维/木素材料中胶原纤维和木素的溶出影响

2.2 溶解时间对所制备胶原纤维吸附材料的影响

实验条件：将质量比为4∶1的胶原纤维/木素复合材料研磨后筛分50目左右的颗粒，于温度40℃的恒温水浴条件下，将筛分出的颗粒加入体积为26.7 mL，质量分数为2.5%的NaOH溶液中，每份颗粒质量为0.200 0 g，恒温水浴加热一定时间后过滤。设定波长为281 nm处，取0.5 mL滤液稀释至一定倍数后，测量吸光度的大小，将滤渣干燥后称重，考察不同溶解时间（分别为25、30、35、40和45 min）对所制备胶原纤维/木素复合材料中胶原纤维和木素的溶出影响，结果见图3[其中（a）为木素溶出受溶解时间的影响，（b）为胶原纤维的溶出受溶解时间的影响]。

根据图3（a）可以得出，随着溶解时间的延长，吸光度先增加后减小，在溶解时间为30 min时，溶液的吸光度达到最大，即溶出的木素最多。从图3（b）可以得出，当溶解时间小于等于30 min时，吸附材料中胶原纤维的含量没有减少，而当溶解时间继续延长，则胶原纤维含量降低。所以，选择30 min为最佳溶解时间。

2.3 溶解温度对制备胶原纤维吸附材料的影响

实验条件：将质量比为4∶1的胶原纤维/木素复合材料研磨后筛分50目左右的颗粒，每份取0.200 0 g，均加入体积为26.7 mL，质量分数为2.5%的NaOH溶液中，于一定温度下恒温水浴加热30 min后过滤。设定波长为281 nm处，取0.5 mL滤液稀释至一定倍数后，测量吸光度的大小，将滤渣干燥后称重，考察不同溶解温度对所制备胶原纤维/木素复合材料中胶原纤维和木素的溶出影响，结果见图4[其中（a）为木素溶出受溶解温度的影响，（b）为胶原纤维的溶出受溶解温度的影响]。

由图4（a）可以得出，在本实验中吸光度随着溶解温度不断升高而呈现先增大后减小的趋势，温度为40℃时滤液的吸光度最大，即溶出的木素最多。从图4（b）可以发现，当温度不高于40℃时，胶原纤维的含量并无变化，不出现溶解现象。所以，制备胶原纤维吸附材料的最佳溶解温度为40℃。

2.4 胶原纤维吸附材料对木素溶液的吸附性能研究

根据以上实验，选择制备胶原纤维吸附材料的最佳实验条件：质量分数为2.5%的NaOH溶液，溶解时间为30 min，溶解温度为40℃，制备胶原纤维吸附材料，考察其对碱液木素和乙醇木素的吸附性能。

考察吸附性能实验条件：取2份质量相等的已溶出木素的胶原纤维吸附材料，分别置于40 mL吸光度为A1的碱液木素和乙醇木素溶液中，常温下，磁力搅拌吸附20 min，测量被吸附后的溶液的吸光度A2，探究该种材料对不同溶液条件下木素的吸附性能，结果见表1。

图3 溶解时间对胶原纤维/木素复合材料中胶原纤维和木素的溶出影响

图4 溶解温度对胶原纤维/木素材料中胶原纤维和木素的溶出影响

10.13752/j.issn.1007-2217.2017.02.005

2017-03-23