CNC/角蛋白复合膜的制备及其染料吸附性能

2020-04-02钱迅南朱笑吉朱卫明余志成宋凯利

功能高分子学报 2020年2期

钱迅南，朱笑吉，朱卫明，余志成，宋凯利,2

（1. 浙江理工大学生态染整技术教育部工程研究中心，杭州 310018；2. 浙江省清洁染整技术研究重点实验室，浙江绍兴 312000）

角蛋白作为一种生物蛋白质材料，具有来源广泛、可降解、无毒性、成本低以及良好的成膜性等优点，其分子链上含有大量的氨基、羟基、羧基等官能团[1-3]，这些官能团可作为染料吸附位点，使角蛋白适合作为吸附剂材料应用。另外，羊毛角蛋白中存在二硫键、盐式键、氢键、范德华力等作用，使其具有与其他物质共混更有亲和力的优点[4]。以角蛋白为基质的材料如膜、水凝胶、微球等吸附剂已经被用于印染废水的吸附，而角蛋白由于在提取过程中其分子内二硫键、氢键被破坏，导致其力学性能、物理稳定性较差，这大大限制了其应用范围[5]。通过交联剂改性可以提高其力学性能，然而，目前常用的交联剂如戊二醛、甲苯二异氰酸酯等[6]，具有一定的生物毒性、致癌性，将这些交联剂用于改性角蛋白则会影响角蛋白无毒性的优点，同时还会引起一系列环境问题。因此，用一些增强体如纤维素纳米微晶（CNC）、二醛基纤维素微晶等天然无毒的材料与角蛋白共混的方法日益受到关注[6]。

目前，已有数篇文章对角蛋白吸附膜应用于染料吸附进行了介绍，增春慧等[7]利用戊二醛与角蛋白交联制备了致密均匀、力学性能较好的角蛋白膜。李刘倩等[8]用聚乙烯醇与角蛋白复合制备成膜，获得了一种对金属离子吸附性能优异的复合膜。但所用的改性剂、交联剂都不是再生环保的。CNC 是一种天然聚合物纳米材料[9,10]，因具有突出的力学性能、易于进行改性等优点而广泛应用于增强高分子材料的力学性能[11]。本文采用CNC 与角蛋白材料复合制备了一种清洁无污染、性能较优的染料吸附膜。以纤维素粉为原料，经硫酸水解制备CNC 溶液，将其与角蛋白溶液混合浇铸制备复合膜，探究了CNC/角蛋白复合膜材料对活性艳蓝KN-R 染料的吸附性能。

1 实验部分

1.1 实验原料

纤维素粉、尿素：分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；L-半胱氨酸、丙三醇：分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硫酸、冰醋酸：分析纯，杭州高晶精细化工有限公司；动物羽毛：杭州永丰羽绒制品有限公司；活性艳蓝KN-R：化学纯，湖北恒景瑞化工有限公司。

1.2 CNC 的制备

称取1 g 纤维素粉，缓慢加入50 mL 的硫酸（w = 64%）中，在45 ℃的水浴中水解55 min。反应结束后，将得到的混合液离心，收集离心所得固体产物，加水振荡摇匀，再离心，重复离心水洗4～5 次。最后将CNC 悬浮液装入截留分子量为5 000 的透析袋中透析至中性，得到澄清透明的CNC 溶液。

1.3 角蛋白的制备

首先，称取10 g 动物羽毛溶解在1 000 mL、8 mol/L 的尿素溶液中，再加入0.5 g L-半胱氨酸还原剂，在85 ℃水浴中反应7 h，得到角蛋白悬浮液。然后，将该悬浮液离心，收集上清液，装入透析袋中，用大量去离子水透析2 d。最后，用等电点沉降法使角蛋白沉淀，并离心收集固体，冷冻干燥得到角蛋白固体粉末。

1.4 CNC/角蛋白复合膜的制备

称取6 g 角蛋白溶解在94 g 醋酸水溶液（φ = 0.8）中，超声脱泡，在角蛋白制膜液中加入角蛋白质量5.0%的丙三醇。采用溶液浇铸法，将角蛋白溶液与CNC 溶液分别按m（CNC）∶m（Keratin）为1%、2.5%、5%、10%的比例混合，搅拌均匀后倒入聚四氟乙烯制膜板上常温下风干，得到了CNC/Keratin 复合膜，其制备示意图如图1 所示。按照CNC 添加比例，分别命名为1%CNC/Keratin 复合膜、2.5%CNC/Keratin 复合膜、5%CNC/Keratin 复合膜、10%CNC/Keratin 复合膜，未添加CNC 的命名为纯角蛋白膜。

1.5 CNC/角蛋白复合膜的测试与表征

图 1 CNC/角蛋白复合膜的制备示意图Fig. 1 Preparation of CNC/Keratin composite films

用透射电子显微镜（TEM，日本电子公司JEM-2100 型）观察样品的微观结构；用扫描电子显微镜（SEM，德国卡尔·蔡司股份有限公司EVOMA25 型）观察样品的横截面形貌，先将样品用液氮脆断，再对其断面喷金处理；用万能材料试验机（美国英斯特朗公司Instron3367 型）测试复合膜的拉伸性能，将复合膜放在温度为25 ℃、中湿度为65%的环境下平衡24 h，设定夹距为20 mm，拉伸速率为20 mm/min；将CNC/Keratin 复合膜放入烘箱中干燥，称重记为m1，在室温下浸入超纯水中3 d，取出后于烘箱中烘干，称量记为m2，其质量损失率（Rm）为： Rm=(m1-m2)/m1×100%。

1.6 CNC/角蛋白复合膜的染料吸附性能

角蛋白分子链中含有大量氨基、羧基等官能团，这些官能团可作为染料的吸附位点，通过分子间氢键、范德华力等作用力结合，吸附剂对染料的吸附机理如图2 所示。

采用活性艳蓝KN-R 配制一定质量浓度的染料溶液，用0.01 mol/L 的稀盐酸或w = 0.01%的氢氧化钠溶液将染液pH 调至设定值（2、4、6、8、10）。分别称取0.025 g 纯角蛋白膜和0.025 g 2.5%CNC/Keratin 复合膜于250 mL 锥形瓶中，加入25 mL 质量浓度为200 mg/L 的活性艳蓝KN-R 染液。将锥形瓶置于恒温水浴振荡器中，在室温恒定速率下振荡120 min 进行吸附，采用紫外-可见分光光度计测定吸附后染液的吸光度，通过染液的吸光度-质量浓度标准曲线来测定染液的质量浓度。吸附剂对染料的去除率（Re，%）及吸附容量（Ac，mg/g）如式（1）和式（2）所示：

其中，ρ0和ρ 分别为初始染料溶液和吸附一定时间后染料溶液的质量浓度（mg/L）；V 是所用染液的体积（0.025 L）；m 为所用吸附剂的质量（0.025 g）。

图 2 吸附机理示意图Fig. 2 Schematic illustration of adsorption mechanism

采用Langmuir 和Freundlich 吸附等温模型分析吸附剂对染料的吸附动力学。Langmuir 吸附等温模型主要适用于单层吸附，其吸附等温模型如式（3）所示，Freundlich 吸附等温模型则主要适用于多层吸附，其吸附等温模型如式（4）所示：

其中，ρe（mg/L）是吸附平衡时染液的质量浓度，qe（mg/g）是吸附剂的平衡吸附容量，qmax（mg/g）是吸附剂的最大吸附容量，b（L/mg）是Langmuir 吸附常数，KF是Freundlich 吸附常数，n 是与吸附强度有关的参数。

采用准一级动力学模型和准二级动力学模型研究CNC/Keratin 复合膜对染料吸附过程的控制机理，其计算公式分别如式（5）、式（6）所示。

其中，k1（min-1）和k2（mg/（g·min））分别为准一级和准二级动力学速率常数，qt（mg/g）为t 时刻的吸附容量。

2 结果与讨论

2.1 CNC/角蛋白复合膜的形貌表征

CNC 的形貌表征如图3 所示。通过TEM 图（图3（a））可知，所得CNC 呈典型棒状或针状结构，长度为200～300 nm，宽度约10 nm。CNC 的SEM 图（图3（b））可进一步证明所得CNC 为针状形貌。采用Image J 软件统计得到，CNC 的宽度主要分布在10～12 nm，长度分布在200～400 nm（图3（c），图3（d））。

图4 所示为CNC/Keratin 复合膜断面的微观结构。纯角蛋白膜（图4（a））的断面呈现相对平滑的形貌；当m（CNC）∶m（Keratin）=1.0%时，可以看出少量的CNC 暴露在断面上，如图4（b）中红色圆圈所示；当m（CNC）∶m（Keratin）=2.5%时，较多的CNC 出现在断面；当m（CNC）∶m（Keratin）=5.0%时，CNC 较为均匀地分布在断面上，说明当CNC 的添加量在5.0%以下时，其在复合膜中的分散较为均匀；当m（CNC）∶m（Keratin）=10.0%时，CNC 容易聚集形成较大的团聚体，如图4（e）中箭头所示。

图 3 CNC 的TEM 图（a）、SEM 图（b）及直径（c）和长度（d）尺寸分布图Fig. 3 TEM image (a)、SEM image (b)、diameter distibution (c) and length distribution (d) of CNC

图 4 CNC/Keratin 复合膜的SEM 图Fig. 4 SEM images of CNC/Keratin composite films

2.2 CNC/角蛋白复合膜的力学性能

图5 为CNC/Keratin 复合膜的力学性能。纯的角蛋白膜力学性能较差，断裂强度只有2.7 MPa，断裂伸长率只有11%；随着CNC 含量的增加，CNC/Keratin 复合膜的断裂强度和断裂伸长率先升高后下降，当m（CNC）∶m（Keratin）=5.0%时，其断裂强度达到最大值15.0 MPa，再继续添加CNC 反而使其断裂强度下降，这是因为当CNC 的添加量较多时，容易出现团聚现象，团聚的纳米颗粒造成复合膜的结构缺陷，在外力作用下容易形成应力集中点，降低复合膜的断裂强度。

2.3 CNC/Keratin 复合膜的耐水性能

CNC/Keratin 复合膜在水中的质量损失率如图6所示，纯角蛋白膜材料在水中的质量损失率约为30.5%，添加CNC 之后复合膜的质量损失率有所减小。随着CNC 含量的增加，复合膜质量损失率下降，当m（CNC）∶m（Keratin）=10%时，复合膜质量损失率下降至21.1%，说明添加CNC 能够提高角蛋白的耐水稳定性。

图 5 CNC/Keratin 复合膜的力学性能Fig. 5 Mechanical properties of CNC/Keratin composite films

图 6 CNC/Keratin 复合膜在水中的质量损失率Fig. 6 Mass loss rate of CNC/Keratin composite film

2.4 CNC/Keratin 复合膜的染料吸附性能

2.4.1 溶液pH 对吸附剂吸附性能的影响纯角蛋白膜（图7（a））和2.5%CNC/Keratin 复合膜（图7（b））对活性艳蓝的去除效率和吸附容量随着溶液pH 的升高而下降。当溶液pH=2 时，2.5%CNC/Keratin 复合膜对活性艳蓝的去除效率和吸附容量分别为78%、77.57 mg/g，而纯角蛋白膜对活性艳蓝的去除效率和吸附容量分别为55%、54.52 mg/g，说明CNC/Keratin 复合膜对染料吸附性能较好。通过实验验证活性艳蓝的pKa 为5.28，因此当溶液pH 为2 和4 时，染料在溶液中呈电离状态，此时吸附剂带正电荷（如图7（c）所示），染料与吸附剂之间存在静电引力。随着溶液pH 增加至6 以上时，染料在溶液中呈分子状态，因此与吸附剂之间的静电引力减弱，造成吸附剂对染料吸附性能下降。

图 7 溶液pH 对（a）纯角蛋白膜和（b）2.5%CNC/Keratin 复合膜吸附活性艳蓝染料性能的影响；（c）CNC/Keratin 复合膜的Zeta电位Fig. 7 Effect of pH value on the removal efficiency and adsorption capacity of (a) pure keration film and (b) 2.5%CNC/Keratin composite film; (c) Zeta potential of CNC/Keratin composite film

2.4.2 平衡吸附等温线图8 为采用Freundlich 和Langmuir 吸附等温线对2.5%CNC/Keratin 复合膜吸附染料的拟合结果，Langmuir 吸附等温模型的拟合相关性系数（R2）高于Freundlich 吸附等温模型的拟合相关性系数，说明Langmuir 吸附等温线能更好地描述角蛋白吸附剂对染料的吸附。由图8 可知，2.5%CNC/Keratin 复合膜吸附剂对染料的最大吸附容量为190.333 mg/g，纯角蛋白膜对染料的最大吸附容量为10.034 mg/g。

2.4.3 吸附动力学图9 是吸附剂对染料的吸附动力学拟合结果，由拟合参数可知吸附剂对染料的吸附符合准二级动力学模型。同时，在吸附剂吸附染料的前100 min 内吸附速率较快，此时溶液中染料的质量浓度与吸附剂上染料的质量浓度相差较大，造成吸附速率较快。之后随着吸附时间的延长，吸附速率增加缓慢，吸附达到平衡所需时间约为200 min。