蚕丝是一种蛋白质纤维,由18种氨基酸组成,其中部分氨基酸侧链基团具有反应活性,而且蚕丝纤维富集了许多羧基、氨基(—NH2)等亲水性基团.蚕丝纤维具有多孔性,利于水分子扩散,还能在空气中吸收水分,并保持一定水分.天然彩丝具有普通蚕丝的性质,但两者在结构方面又稍有差异,因此可能会在某些性质方面存在不同.本文比较了天然彩丝和普通白丝在吸附金属离子、表面活性剂和染料等方面的差异.
1试验
1.1材料及仪器
普通白丝和天然彩丝(黄色系),鑫缘茧丝绸集团股份有限公司;药品:硫酸亚铁铵,盐酸,亚甲基二萘磺酸钠(NNO),酸性橙Ⅱ.
仪器:XW-ZDR低噪振荡染样机(靖江市新旺染整设备厂),JJ200型精密电子天平(美国双杰兄弟有限公司),PB-10型精密酸度计(上海雷磁仪器厂),ShimadzuUV-2550型双光束紫外可见分光光度计(日本岛津公司)等.
1.2溶液配制[1]
0.1 mg/mL铁离子标准溶液:准确称取0.176 g硫酸亚铁铵于小烧杯中,加水溶解,加入6 mol/L盐酸,定量转移至250 mL容量瓶中,稀释至刻度,摇匀.
1.3标准直线绘制
铁标准直线:配制不同质量浓度的Fe2+溶液,测定它们在最大吸收波长下的吸光度,绘制Fe2+的吸光度-质量浓度工作曲线.
NNO标准直线:配制不同质量浓度的NNO溶液,测定它们在紫外区间最大吸收波长的吸光度,绘制NNO的吸光度-质量浓度工作曲线.酸性橙Ⅱ标准直线:配制不同质量浓度的酸性橙Ⅱ溶液,测定它们在最大吸收波长的吸光度,绘制酸性橙Ⅱ的吸光度-质量浓度工作曲线.
1.4吸附速率曲线
配制一定初始质量浓度的Fe2+、NNO和酸性橙Ⅱ溶液,天然彩丝和普通白丝各0.5 g,在一定温度下置于恒温振荡器中振荡不同时间,取出纤维,测定残液吸光度,计算出不同时间纤维上Fe2+、NNO和酸性橙Ⅱ的吸附量,绘制吸附速率曲线.
1.5吸附等温线
配制不同质量浓度的Fe2+、NNO和酸性橙Ⅱ溶液100 mL,投入0.1 g丝纤维,在一定温度下吸附3 h.采用残液法测定吸附量.
1.6吸附量测试
用双光束紫外可见分光光度计测定残液吸光度,按标准工作曲线计算出残液的质量浓度,按公式计算吸附量(mg/g)=(ρ0-ρ)×V/m.式中:ρ0为处理液的初始质量浓度,mg/L;ρ为处理后残液的质量浓度,mg/L;V为处理液体积,L;m为蚕丝纤维干重,g.
2结果与讨论
2.1对金属离子Fe2+的吸附
蚕丝纤维分子链中含有大量的羧基和氨基,与金属离子有较强的络合能力,能够通过络合和离子交换,与金属离子形成稳定的螯合物.在各种金属离子中,选用比较容易显色的Fe2+处理蚕丝纤维.Fe2+的标准工作曲线如图1所示,计算机拟合直线方程A=0.014 66+0.285 72ρ,式中A为吸光度,ρ为Fe2+质量浓度,回归系数为R2=0.994 8.
测出Fe2+吸附普通白丝和天然彩丝的速率曲线,结果如图2所示.
在吸附过程中,随着吸附时间的延长,纤维上的吸附量是不同的.假定吸附过程遵循公式(1)描述的反应模型:
方程(1)
经过积分变成(2)的形式:
方程(2)描述函数t/ρt=f(t)线性关系,1/ρ∞为线性方程的斜率tgα,根据方程(3)可计算ρ∞的值.
根据图1曲线和上述动力学模型,对t/ρt~t作图,各个试验点之间有良好的线性关系,其线性回归方程及相关系数如表1所示.从表1可知,当普通白丝和天然彩丝对Fe2+的吸附达到平衡后,天然彩丝对Fe2+的吸附量达到5.824 1mg/g,比普通白丝多吸附将近1 mg/g.推测是由于天然彩丝的结晶度比普通白丝低,且天然彩丝是天然多孔性蛋白质纤维,丝蛋白分子间空隙率比普通白丝大[8],分子表面积较大.所以,以上各种分子更容易进入天然彩丝的非晶区.Fe2+在普通白丝和天然彩丝上的吸附等温线如图3所示.
根据试验数据,用Langmuir和Freundlich模式拟合蚕丝纤维对Fe2+的吸附等温线.[9]2种拟合模式基本上呈良好的线性关系,模拟相关系数如表2所示.
从表2普通白丝和天然彩丝拟合之后的2种吸附模型可见,Langmuir吸附平衡模型模拟结果的相关系数高于Freundlich模拟,Fe2+与蚕丝纤维发生络合并稳定存在.普通白丝和天然彩丝对Fe2+的吸附属于Langmuir型吸附.
2.2对表面活性剂NNO的吸附
表面活性剂NNO是一种米棕色粉状固体,可以在酸性染料中用作分散剂,对蛋白质纤维有亲和力,在紫外区间有最大吸收波长.NNO的标准工作曲线如图4所示,计算机拟合直线方程A=15.40667ρ-0.00125,
式中A为吸光度,ρ为NNO质量浓度,回归系数为R2=0.998 8.
测出NNO吸附普通白丝和天然彩丝的速率曲线,结果如图5所示.根据吸附速率曲线和一些动力学模型,对t/ρt~t作图,各个试验点之间有良好的线性关系,其线性回归方程及相关系数列于表3.由表3可以看出,当普通白丝和天然彩丝对NNO的吸附达到平衡后,天然彩丝对NNO的吸附量比普通白丝高,有着蚕丝对Fe2+吸附相类似的结果.
由图6可以看出,普通白丝和天然彩丝对表面活性剂NNO的吸附与主要的3种吸附等温线模型都存在着差异,不能完全符合某种吸附等温线.可能原因是NNO只是与蚕丝纤维的表面形成吸附,其吸附机理还有待于进一步研究.
2.3对染料酸性橙Ⅱ的吸附
酸性橙Ⅱ的标准工作曲线如图7所示,计算机拟合直线方程A=0.004 58+62.488 1ρ,式中A为吸光度,ρ为酸性橙Ⅱ质量浓度,回归系数为R2=0.999 9.
测出酸性橙Ⅱ吸附普通白丝和天然彩丝的速率曲线,结果如图8所示.
根据吸附速率曲线和一些动力学模型,对t/ρt~t作图,各个试验点有良好的线性关系,其线性回归方程及相关系数列于表4.
由表4可以看出,当吸附达到平衡后,天然彩丝对酸性橙Ⅱ的平衡吸附量达到10.449 3 mg/g,普通白丝的吸附量为8.726 0 mg/g.
由图9可知,在低质量浓度区时,纤维上染料质量浓度增加很快,以后随着染液中质量浓度的增加逐渐变慢,最后不再增加,达到吸附饱和值,符合Langmuir吸附等温线的基本特征.用Langmuir模式拟合蚕丝纤维对酸性橙Ⅱ的吸附等温线,模拟结果呈现良好的线性关系,模拟相关系数见表5.
3结论
天然彩丝和普通白丝对Fe2+和酸性橙Ⅱ的吸附规律都可以用Langmuir吸附模型近似描述,天然彩丝和普通白丝对表面活性剂NNO的吸附规律不能完全符合某种吸附等温线.当吸附达到平衡后,天然彩丝对Fe2+、NNO和酸性橙Ⅱ的平衡吸附量高于普通白丝.
参考文献:
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