离子交换纤维(IonExchangeFiber，IEF)是继活性炭之后发展起来的一种高效吸附材料，因其比表面积大、离子交换速度快、易再生、适用性广泛而成为环境污染治理技术领域的一个研究热点。印染废水一直以排水量大(约占我国工业废水总排放量的35%)、处理难度高而成为废水处理工艺研究的重点和难点[6-7]。
在各类印染废水处理组合工艺技术中，吸附是一种非常有效而经济的处理方法。活性炭作为一种优良的吸附剂，但由于对染料种类具有选择性，价格贵，再生困难[8-9]，因而其适用范围受到了限制。因此，研制出处理效果好、物理化学性能优良、易于再生、价格低的替代品正成为水污染控制与应用技术的研究方向。本工作采用自制的弱碱性离子交换纤维处理含活性染料的印染废水，对该材料的处理效果和影响因素进行了实验研究。简要分析了其吸附机理。
1.实验材料与方法
1.1实验材料
1.1.1弱碱性离子交换纤维
自制。纤维素纤维(脱脂纱布)在高锰酸钾—硫酸氧化还原体系中，引发单体丙烯酰胺(AAM)在纤维素纤维上接枝聚合，利用Hofmann降级反应在接枝共聚产物上引入胺基制得。经化学滴定法测定呈弱碱性，采用Perkin-Elmer1760傅立叶变换红外光谱仪(KBr压片)测定纤维素纤维接枝上引入了阴离子交换基(-NH2)。
1.1.2废水
(1)模拟印染废水。为了评价制备的离子交换纤维对染料的吸附能力，选择印染废水处理中难以脱色的活性染料为模型。实验用活性染料有活性艳橙X-GN、活性蓝KGN、直接红、直接黄。配置方法：在100mL的1mol/LNaOH溶液中加染料1g，煮沸回流3h，反应结束后，染液浓度稀释至0.1mg/mL，调至规定的pH值。
(2)工厂印染废水。印染废水取自西安某印染厂的综合废水，该厂采用的染料均为活性染料。废水呈黑色，色度、粘度较高，呈粘稠状液体。废水的COD=1028mg/L，pH=9。
1.2实验方法
1.2.1静态吸附实验
静态吸附实验采用间歇法。在印染废水中加入一定量的离子交换纤维，在振荡水浴中振荡吸附一段时间后，静置。用756型分光光度计测定其在最大吸收波长的吸光度，按式
(1)计算脱色率：
式
(1)中，E是脱色率，A1、A2分别为吸附前后印染废水的吸光度。
用重铬酸钾法测定COD，按式
(2)计算COD去除率：
式
(2)中，E是COD去除率，C1、C2分别为吸附前后印染废水的COD浓度。
1.2.2动态吸附实验
动态吸附实验采用柱式通水法。离子交换纤维1.500g(接枝率75%)以约1cm×1cm的小块填充于直径为2.5cm的玻璃吸附柱中，填充高度8cm。模拟印染废水以一定流速通过吸附住。
1.2.3再生离子交换纤维的吸附性能
离子交换纤维的再生采用柱内再生方式进行实验。将吸附过的离子交换纤维用0.5%NaOH溶液处理三次，使染料脱附。对已脱附的离子交换纤维依次用NaOH溶液、蒸馏水、7%HCl溶液、10%NaCl溶液洗净，使之再生。将再生后的离子交换纤维0.300g放入V=150mL，pH=3，染料浓度100mg/L的模拟活性染料废水中，搅拌吸附2h，静置，测其吸光度，求脱色率。以上实验用试剂均为A.R级。
2.结果与讨论
2.1吸附性能
2.1.1接枝率对离子交换纤维吸附性能的影响
模拟活性艳橙X-GN印染废水V=150mL，C0=100mg/L，选用不同接枝率的离子交换纤维(W=0.300g)，在pH=3、T=50℃、t=1h的条件下的静态吸附实验结果见图1。
从图1可以看出，接枝率为70%～80%的离子交换纤维脱色效果最好。
2.1.2离子交换纤维用量对废水处理效果的影响
工厂印染废水V=150mL，选用接枝率为75%、的离子交换纤维在pH=3，T=50℃，t=1.5h的条件下进行静态吸附实验，用量分别为0.200、0.300、0.400、0.500、0.600g。离子交换纤维用量与印染废水的脱色率和COD去除率的关系见图2。
由图2可以看出，对于一定量的废水，离子交换纤维用量越大，脱色率和COD去除率越高。当离子交换纤维用量到0.400g时，脱色率已经达到了90%以上，COD去除率也在80%以上。如果继续增加离子交换纤维用量，则脱色率和COD去除率增加幅度不大，从经济角度分析不合算。
2.1.3pH值对废水处理效果的影响
工厂印染废水V=150mL，在离子交换纤维(接枝率75%)用量W=0.400g，T=50℃，t=1.5h的条件下进行静态吸附实验。pH值分别为1、2、3、4、5、6、7。pH值对印染废水的脱色率和COD去除率的关系见图3。
由图3可以看出，pH值对离子交换纤维的吸附性能影响较大，较低的pH值有利于吸附反应，pH值升高对吸附剂的吸附不利。这是因为，所制得的离子交换纤维是弱碱性阴离子交换型的，在弱碱性条件下，溶液中的OH-离子将与离子交换基结合。从而影响离子交换纤维对水解染料的吸附。因此，废水酸性越强，OH-相对越少，越有利于离子交换纤维对废水中水解染料的吸附。
2.1.4温度对废水处理效果的影响
工厂印染废水V=150mL，在离子交换纤维(接枝率75%)用量W=0.400g，pH=3，t=1.5h的条件下，反应温度分别控制在20、30、40、50、60℃下进行静态吸附实验，温度对印染废水的脱色率和COD去除率的关系见图4。
从图4中可以看出温度越高，脱色率越高，COD的去除率也越高。说明该吸附反应为吸热反应，高温有利于吸附的进行。
2.1.5吸附时间对废水处理效果的影响
工厂印染废水V=150mL，在离子交换纤维(接枝率75%)用量W=0.400g，pH=3，T=50℃的条件下，控制吸附时间进行静态吸附实验。吸附时间分别在1、2、5、10、20、30min后取样，吸附时间对印染废水的脱色率和COD去除率的关系曲线见图5。
由图5可以看出，该离子交换纤维对染料的吸附速度很快，在10min之内脱色率和COD去除率都达到了总去除率的80%以上。继续延长吸附时间，吸附效果提高幅度不大。
2.1.6流速对离子交换纤维吸附性能的影响
浓度为100mg/L、pH=3的活性蓝溶液100mL分别以1.0，1.5，2.0，3.0mL/min的流速通过吸附柱，每10mL取样一次，测定流出液的吸光度，计算出染料的质量浓度。不同流速下的吸附曲线见图6。
从图6中可以看出，废水溶液流速越快，离子交换纤维的吸附量越少，处理染料溶液的体积越小。这是因为流速增加，溶液与吸附交换柱接触的时间减少，未能充分交换就流出交换柱，故穿透点提前，离子交换纤维吸附率下降。综合考虑吸附效果和时间因素，流速宜为1.5～2mL/min(吸附时间25～33min)。
2.1.7印染废水静态吸附正交实验
从以上实验结果得出，离子交换纤维处理印染废水的影响因素有：离子交换纤维用量、pH值、反应温度，反应时间等。为研究这些影响因素的综合效果，用接枝率为70%的离子交换吸附纤维对工厂印染废水(V=150mL)在反应时间t=1.5h条件下，用L(934)正交法进行静态吸附实验，实验安排见表1。实验结果见表2。
从表2中可以看出，对于脱色率和COD的去除率，交换吸附反应的温度和离子交换纤维的用量对反应影响较大。反应温度越高，离子交换纤维投加量越大，吸附效果越好。pH值越低，越有利于吸附反应的进行。由K值的分布情况看，脱色率最高时的最优条件与COD的去除率最高时的反应条件一致：T=50℃，pH=2，W=0.5g；但是从S值的分布看，对脱色率影响最大的是反应温度，而对COD的去除率影响最大的因素是离子交换纤维的用量。考虑到实际应用，该反应的适宜反应条件取为反应温度50℃，pH=3，离子交换纤维用量0.500g/150mL废水。
2.2再生纤维的吸附性能
利用再生后的纤维用模拟活性艳橙X-GN、活性蓝KGN、直接红、直接黄印染废水进行静态吸附实验，实验结果见表3。
由表4可以看出，再生后的离子交换纤维仍能保持90%以上的吸附能力，可反复使用。
2.3离子交换纤维对活性染料的吸附机理
活性染料因其色谱齐全、色彩鲜艳、牢度好、使用方便而大量使用。但染色后留在水中的活性染料，与水反应大部分成为水解染料。
D-R-X(活性染料)+H-OH→D-R-OH(水解染料)+HXD-R-OH→D-R-O-+H+
染色的最后阶段是洗去未被固着的染料，毫无疑问，水解染料就成为洗净废水的主要成分，水解染料废水用传统的方法难以脱色。而离子交换纤维在水中发生如下反应：
Cello(CH2CHNH2)(n离子交换纤维)+H2O→Cello(CH2CH+NH3)n+OH-
当离子交换纤维用于处理洗净废水时，发生如下吸附反应：
Cello(CH2CH+NH3)n+D-R-O-→[Cello(CH2CH+NH3)n][D-R-O]
于是，废水中的水解染料便被离子交换纤维以化学吸附的方式所吸附，从而去除了活性染料废水中的有色成分。
3.结论
(1)弱碱性阴离子交换纤维对含活性染料的印染废水有良好的处理效果。接枝率为70%～80%的离子交换纤维脱色效果最好。
(2)在离子交换纤维处理印染废水的影响因素中，温度和离子交换纤维的用量对处理效果影响较大。反应温度越高，离子交换纤维投加量越大，吸附效果越好。pH值越低，越有利于吸附反应的进行。
(3)再生实验表明，该离子交换纤维易于再生，且再生后的离子交换纤维仍能保持90%以上的吸附能力，可反复使用。
