纤维材料在环境净化中的应用

2020-06-22

纺织科学研究 2020年6期

（北京中纺化工股份有限公司北京100176）

1 前言

伴随改革开放的步伐，中国经济呈现高速发展，造成了水体[1]和空气污感[2]问题日趋严重，噪声和电磁污感不断凸现，这不但阻碍了工业和经济的高速发展，而且严重影响了国民的身体健康。在对环境污感控制、治理和修复方面，环境净化材料发挥着主体和关键作用。环境净化纺织品（Textiles for Environmental Care）作为一类主要的环境净化材料对于水体和空气中污感物的去除以及噪声和电磁污感的净化具有极为重要的意义。

根据环境污感物的种类可将环境净化材料分为水污感控制纤维和纺织品、空气污感控制纤维和纺织品、吸声纤维和纺织品以及防电磁纤维和纺织品四类。其中，环境净化纤维材料可以通过纺丝法、化学表面改性处理等方法制得；而环境净化纺织品材料可以使用织造技术、后整理技术等方法制得。本文对环境净化材料在环境净化领域中的应用方面进行了详细的介绍。

2 纤维材料在水污染控制中的应用

2.1 水污染的现状

据统计，全球范围内每年排入自然水域的污水约有4200 亿吨，导致全球径流量的14% （约5500 亿吨）以上水体遭受污感。我国超过75%的湖泊出现了富营养化，超过90%的城市水域污感严重，南方城市总缺水问题主要是由于水污感造成的。长江流域整个面积超过全国可利用水资源面积的50%，90%未经处理的工业污水和生活污水直排江中，每秒钟污水排放量高达3 吨。这些污水一旦进入环境中就会对环境造成极大的危害，使得饮用水受到污感，引起消化系统疾病甚至癌症；造成鱼类、两栖动物和微生物等大量死亡；污感农田土壤，致使农作物减产，鱼类捕捞量缩水；水质恶化进而影响到工业产品质量，同时会带来水循环系统的结垢、堵塞和腐蚀等问题。

2.2 纤维材料对水体中重金属离子的去除

纤维材料主要通过吸附作用去除金属离子，包括化学和物理吸附两种。螯合纤维的功能基中存在对金属离子有吸附作用的带有未成键孤对电子的O、N、S、P 等原子，与金属离子以配位键形式构成螯合物，进而从水中去除。纤维与金属离子的螯合物分成四类，即分子型、分子内型、大环型和多核型。被去除金属离子主要包括Hg(II)、Co(II)、Cd(II)、Ni(II)、Pb(II)、Cu(II) 和Cr(III)离子等。

耿建暖等[3]以去除果汁中的金属阳离子为目的开发了偕胺肟螯合纤维，并考察了不同吸附时间及溶液pH 下螯合纤维对金属Cu2+的吸附性能。结果显示偕胺肟螯合纤能有效键合金属离子，在20～30min 内可达到吸附平衡且此纤维可多次重复利用。Li[4]制备了一种基于聚（乙烯醇）/壳聚糖（PVA/CS珠）的新型吸附材料，结果表明其对Cu2+离子的吸附效果最佳，对Zn2+离子的吸附性能较差。

2.3 纤维材料对水体中有机污染物的去除

当去除水体中有机污感物时，纤维材料通常被制备成高分子型非均相催化剂，它们能够催化有机污感物在水中的氧化降解反应，使之快速转化为无机盐、水和二氧化碳。

Dong[5]等将PAN 纤维进行偕胺肟改性，然后与Fe(III)离子在一定条件下进行配位反应制备改性PAN 纤维铁配合物（如式1 所示），并在光照条件下将所制备的催化剂应用于有机污感物的光催化降解反应中，结果表明其对水中感料去除率可达90%以上。张冉等[6]通过共价键将氨基钴酞菁负载于纤维素纤维，以赋予纤维素纤维光催化功能，并研究了不同增效剂对催化性能的影响。结果显示，SDBS 的加入可以显著提高光催化降解体系对活性感料X-3B的去除效率，同时证明催化剂可重复使用，并保持原有催化活性。董永春课题组[7]还制备了纳米TiO2粒子负载棉纤维（如图1所示），并将其用于去除水体中酸性红88，结果表明其在光照射2h 后感料去除率达到80%以上。

式1：改性PAN 纤维与Fe（III）离子配位反应

3 纤维材料在空气污染控制中的应用

根据ISO 作出的定义，大气污感通常是指由于人类活动和自然过程引起的某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度达到足够的时间，并因此而危害人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象。其分为颗粒污感物（粉尘、烟、雾、飞灰和总悬浮微粒等）和气态污感物（如SO2、NOx、碳氧化物和卤素化合物等）两种形态。大气污感的来源有自然因素（如森林火灾、火山爆发等）和人为因素（如工业废气、生活燃煤、汽车尾气等）两种，并且以工业生产和交通运输为主要因素造成的。大气污感对生命体和生物环境具有严重的危害。长期接触会引起呼吸道和肺部以及心血管系统疾病，严重时可导致死亡；此外污感物会使得降雨呈酸性，严重冲击农业、林业、淡水养殖业等产业；破坏高空臭氧层，对人类和生物的生存环境产生危害。通常人们使用滤布用来去除空气中的颗粒物，其具有除尘效率高、适应性强、易于设计、使用简单灵活、便于回收的优点。滤布的主要产品包括：玻璃纤维针刺毡、丙纶针刺过滤毡、耐高温化纤针刺毡、拒水防油针刺毡和PTFE 覆膜等过滤材料。

图1 纳米TiO2 负载棉纤维

值得注意的是，室内环境污感对人体产生的危害逐渐受到人们的重视。室内环境是指采用天然材料或人工材料围隔而成的小空间，是与外界大环境相对分隔而成的小环境。数据显示，现代人在室内环境中占用的时间约是人一生的80%～90%，因而，室内环境的好坏必然影响人们的身心健康。大量的化学物质充斥在室内，美国环保局将它们划分为4 类，即无机气体、挥发性有机物（VOCs）、颗粒物、多环芳烃类物质。最常见的污感物是甲醛、VOCs 和氨气，其主要来源于建筑和室内装饰材料以及吸烟和烹调等，对人体健康有巨大的危害，能够导致支气管哮喘、肺水肿和肝损害等现象，甚至可致癌。为此我们一直致力于探索去除室内废气的办法，减少或避免室内空气污感给人类带来的侵害。

董永春等[8]将纳米TiO2粉体分散在水中制备了纳米TiO2水分散液并将其整理在不同织物上用于室内氨气的催化降解（如图2所示）。他们的研究表明纳米TiO2整理织物对室内氨气具有优异的催化性能，而且由于不同纤维的结构性能不同，纳米TiO2整理棉织物对氨气的去除效果大于纳米TiO2整理涤纶和涤棉混纺织物对氨气的去除效果。黄长根等[9]研究制备的Fe-TiO2-La 负载棉织物较P25 负载棉织物具有更好的去除甲醛的效果。另外该柔性空气净化材料，可以利用可见光的能量分解室内环境中的有害气体甲醛和氨气等，有效减少人体对有害气体的吸入，同时它还能够吸收紫外线的能量，减缓人体或物体因紫外线照射的老化速度，将该材料应用于研发室内装饰，具有现实意义。

4 纤维材料在噪声污染控制中的应用

噪声是指声波的频率和强弱变化毫无规律、杂乱无章的声音。噪声污感则是指噪声对人或物造成了不良影响。噪声污感与水污感、大气污感被看成是世界范围内3 个主要环境问题。噪声污感主要包括交通噪声、工业噪声、建筑噪声和社会噪声，其中交通噪声是城市噪声污感的主要来源。噪声能诱发人体的多种疾病，如暴震性耳聋、肠胃病和溃疡病等。此外噪声还会对正常生活和工作出现干扰，使得仪器失灵。因此有效的控制噪音具有重要意义。

图2 纳米TiO2 负载纤维对室内氨气的去除（a 浸轧技术b 涂层技术）

图3 SoundTex 吸声非织造布的频率吸声曲线

吸声材料是室内声场和噪声控制的有效物质条件。现在常用的吸声材料有多孔材料和共振吸声结构。纤维材料属于多孔材料，矿渣棉及玻璃纤维以其低廉的成本成为传统的吸声纤维材料的主要组份。目前细声材料的趋势是使用合成纤维替代传统吸声纤维材料。之前，应用于建筑吸声的多孔吸声材料多为天然纤维如毛、麻、棉等的废料，然而易燃及易潮等特性阻碍了其在吸声方面的发展。含超细玻璃棉吸声性能的合成纤维原料更易获取，价格低廉，能有效吸收中、高频声波。例如腈纶纤维的吸声系数在4000Hz 时达到最大，约为0.83高于棉纤维的吸声系数0.60。纤维的横截面形状对其吸声性能有所影响，例如由中空或三角形截面的涤纶纤维制成的织物比传统圆形截面的涤纶纤维织物具有更好的吸声性能。因此以无纺布为基础材料形成的地毯和坐垫等物品应用于汽车当中，既是装饰品，又是有效的吸声材料。

国外研究表明，轻薄的纺织品可以代替厚重材料作为吸声材料，声学纺织技术已经被用来发展更好的汽车隔声材料。此外无纺布还可以与其他共振吸声结构相组合而产生更好的吸声效果。SoundTex 吸声非织造布[10]是德国研制生产的一种新型吸声纤维材料，具有重量轻，体积小，便于收纳、携带、安置和施工的优点。在中高频吸声系数较大，可以当作一种中高频的吸声材料进行加工使用（见图3）。

5 纤维材料在电磁污染控制中的应用

现阶段，各式各样的电气和电子设备纷纷进入家庭和办公场所，为人们带来便利的同时也让人们受到了电磁辐射的危害，目前电磁辐射污感是并列于空气污感、水污感和噪声污感的第四大环境污感源[11]。电磁辐射污感主要来自电气和电子设备运行过程中所产生的电磁，可使生物体产生生物热作用及非热作用，累积作用的结果会造成对人体的严重病理危害。人体对电磁辐射的敏感程度依波长而异，人体受波长较短的电磁波辐射时损害更大，其中微波的作用尤为显著。人体受电磁辐射的危害具有积累性，多次积累则伤害不易恢复。WHO 的研究显示，电磁辐射对人体的影响巨大，可诱发多种病因。因此有效防治电磁辐射越来越重要。

电磁屏蔽技术就是采用屏蔽材料将电磁场源与外界隔离开来，缩小或限制辐射范围，进而避免电磁波的污感。电磁屏蔽的实质是利用屏蔽材料的吸收与反射效应。其中反射作用使射入屏蔽体内部的电磁能显著减少；而射入屏蔽体内部的部分电磁能又能够被吸收，从而使穿透屏蔽体的能量显著降低。根据Schelkunnoff 理论，电磁波在接触屏蔽层后会产生透射、吸收、反射和折射等现象，因此电磁屏蔽效能（SE）应为电磁波被屏蔽物反射损耗、吸收损耗及内部反射损耗的总和。屏蔽层导电性能越好，SE 值越高，屏蔽效果越好。

将电磁屏蔽纤维与基体纤维（天然纤维或合成纤维）混合通过机织或针织工艺制造电磁屏蔽织物是一种最简单而有效的制造电磁屏蔽织物的方法。电磁屏蔽纤维又称为导电纤维，包括高分子导电纤维和金属型纤维。金属型纤维主要分为金属纤维和金属复合纤维。金属纤维多为镍纤维和不锈钢纤维，是目前制备电磁辐射防护服的主要金属纤维，导电性好，屏蔽性高，耐热性和抗菌性强。金属纤维的各组分占比在5%～30 %之间。但是其具有感色性差、服用舒适性不高等缺点。在一般情况下，金属复合纤维也称为金属化纤维，是通过化学镀、电镀和真空镀等技术将铜、镍和银等金属以分子或原子状态覆盖在纤维表面制备而成。镀铜或镍纤维织造成的织物在电磁辐射频率0.15MHz～20 GHz 范围内屏蔽效能达50～100 dB，可加工成窗帘或电磁辐射防护服墙布[12]。然而研究表明，铜和镍及其络合物不仅会引起皮肤过敏，而且还可能致癌。因此镀铜或镍纤维不适合制作防护服装特别是防护内衣的纤维材料。使用镀银纤维制备的纺织品具有质地柔软、透气、轻薄、抗菌和耐腐蚀的优点，能有效屏蔽电磁辐射，对频率在0.15MHz～20 GHz 范围内的电磁波可屏蔽作用超过60dB。目前已在内衣、家用纺织品以及医疗、体育、军事装备等方面有所建树，特别是在内衣纺织品方面有替代镀镍和镀铜纤维的发展趋势。

一般在高分子材料的基础上，复合多种导电材料（例如金属氧化物、炭黑或石墨等），通过纺丝法制备高分子电磁屏蔽纤维。碳纤维具有化学稳定性好、高模量和高强度的优点，使用镀覆SiC、金属或沉积石墨碳粒包裹碳纤维表面可以显著提高其电磁屏蔽性能。高分子电磁屏蔽纤维可与基体纤维混合加工成各种形状的织物。

此外，还可以通过织物金属涂层、镀层和复合技术制造电磁屏蔽织物。将电磁波吸收剂或导电性化合物添加到涂层整理液中，并对织物进行涂层整理，使得织物表面构成赋有电磁屏蔽性能的薄膜。此技术简单易行，效果较为显著，但是存在着电磁屏蔽薄膜与纤维之间的结合力差，加工织物的手感和透气性不佳等问题。使用真空镀金属技术将金属直接沉积在纤维表面制备所得到的金属镀层织物具有不透气、不耐折、不耐洗和易剥离等缺点，目前仅在较小的范围内得以应用。