纖維材料在環境凈化中的應用

（北京中紡化工股份有限公司 北京100176）

1 前言

伴隨改革開放的步伐，中國經濟呈現高速發展，造成了水體[1]和空氣污感[2]問題日趨嚴重，噪聲和電磁污感不斷凸現，這不但阻礙了工業和經濟的高速發展，而且嚴重影響了國民的身體健康。在對環境污感控制、治理和修復方面，環境凈化材料發揮著主體和關鍵作用。環境凈化紡織品（Textiles for Environmental Care）作為一類主要的環境凈化材料對于水體和空氣中污感物的去除以及噪聲和電磁污感的凈化具有極為重要的意義。

根據環境污感物的種類可將環境凈化材料分為水污感控制纖維和紡織品、空氣污感控制纖維和紡織品、吸聲纖維和紡織品以及防電磁纖維和紡織品四類。其中，環境凈化纖維材料可以通過紡絲法、化學表面改性處理等方法制得；而環境凈化紡織品材料可以使用織造技術、后整理技術等方法制得。本文對環境凈化材料在環境凈化領域中的應用方面進行了詳細的介紹。

2 纖維材料在水污染控制中的應用

2.1 水污染的現狀

據統計，全球范圍內每年排入自然水域的污水約有4200 億噸，導致全球徑流量的14% （約5500 億噸）以上水體遭受污感。我國超過75%的湖泊出現了富營養化，超過90%的城市水域污感嚴重，南方城市總缺水問題主要是由于水污感造成的。長江流域整個面積超過全國可利用水資源面積的50%，90%未經處理的工業污水和生活污水直排江中，每秒鐘污水排放量高達3 噸。這些污水一旦進入環境中就會對環境造成極大的危害，使得飲用水受到污感，引起消化系統疾病甚至癌癥；造成魚類、兩棲動物和微生物等大量死亡；污感農田土壤，致使農作物減產，魚類捕撈量縮水；水質惡化進而影響到工業產品質量，同時會帶來水循環系統的結垢、堵塞和腐蝕等問題。

2.2 纖維材料對水體中重金屬離子的去除

纖維材料主要通過吸附作用去除金屬離子，包括化學和物理吸附兩種。螯合纖維的功能基中存在對金屬離子有吸附作用的帶有未成鍵孤對電子的O、N、S、P 等原子，與金屬離子以配位鍵形式構成螯合物，進而從水中去除。纖維與金屬離子的螯合物分成四類，即分子型、分子內型、大環型和多核型。被去除金屬離子主要包括Hg(II)、Co(II)、Cd(II)、Ni(II)、Pb(II)、Cu(II) 和Cr(III)離子等。

耿建暖等[3]以去除果汁中的金屬陽離子為目的開發了偕胺肟螯合纖維，并考察了不同吸附時間及溶液pH 下螯合纖維對金屬Cu2+的吸附性能。結果顯示偕胺肟螯合纖能有效鍵合金屬離子，在20～30min 內可達到吸附平衡且此纖維可多次重復利用。Li[4]制備了一種基于聚（乙烯醇）/殼聚糖（PVA/CS珠）的新型吸附材料，結果表明其對Cu2+離子的吸附效果最佳，對Zn2+離子的吸附性能較差。

2.3 纖維材料對水體中有機污染物的去除

當去除水體中有機污感物時，纖維材料通常被制備成高分子型非均相催化劑，它們能夠催化有機污感物在水中的氧化降解反應，使之快速轉化為無機鹽、水和二氧化碳。

Dong[5]等將PAN 纖維進行偕胺肟改性，然后與Fe(III)離子在一定條件下進行配位反應制備改性PAN 纖維鐵配合物（如式1 所示），并在光照條件下將所制備的催化劑應用于有機污感物的光催化降解反應中，結果表明其對水中感料去除率可達90%以上。張冉等[6]通過共價鍵將氨基鈷酞菁負載于纖維素纖維，以賦予纖維素纖維光催化功能，并研究了不同增效劑對催化性能的影響。結果顯示，SDBS 的加入可以顯著提高光催化降解體系對活性感料X-3B的去除效率，同時證明催化劑可重復使用，并保持原有催化活性。董永春課題組[7]還制備了納米TiO2粒子負載棉纖維（如圖1所示），并將其用于去除水體中酸性紅88，結果表明其在光照射2h 后感料去除率達到80%以上。

式1：改性PAN 纖維與Fe（III）離子配位反應

3 纖維材料在空氣污染控制中的應用

根據ISO 作出的定義，大氣污感通常是指由于人類活動和自然過程引起的某些物質進入大氣中，呈現出足夠的濃度達到足夠的時間，并因此而危害人體的舒適、健康和福利或危害了環境的現象。其分為顆粒污感物（粉塵、煙、霧、飛灰和總懸浮微粒等）和氣態污感物（如SO2、NOx、碳氧化物和鹵素化合物等）兩種形態。大氣污感的來源有自然因素（如森林火災、火山爆發等）和人為因素（如工業廢氣、生活燃煤、汽車尾氣等）兩種，并且以工業生產和交通運輸為主要因素造成的。大氣污感對生命體和生物環境具有嚴重的危害。長期接觸會引起呼吸道和肺部以及心血管系統疾病，嚴重時可導致死亡；此外污感物會使得降雨呈酸性，嚴重沖擊農業、林業、淡水養殖業等產業；破壞高空臭氧層，對人類和生物的生存環境產生危害。通常人們使用濾布用來去除空氣中的顆粒物，其具有除塵效率高、適應性強、易于設計、使用簡單靈活、便于回收的優點。濾布的主要產品包括：玻璃纖維針刺氈、丙綸針刺過濾氈、耐高溫化纖針刺氈、拒水防油針刺氈和PTFE 覆膜等過濾材料。

圖1 納米TiO2 負載棉纖維

值得注意的是，室內環境污感對人體產生的危害逐漸受到人們的重視。室內環境是指采用天然材料或人工材料圍隔而成的小空間，是與外界大環境相對分隔而成的小環境。數據顯示，現代人在室內環境中占用的時間約是人一生的80%～90%，因而，室內環境的好壞必然影響人們的身心健康。大量的化學物質充斥在室內，美國環保局將它們劃分為4 類，即無機氣體、揮發性有機物（VOCs）、顆粒物、多環芳烴類物質。最常見的污感物是甲醛、VOCs 和氨氣，其主要來源于建筑和室內裝飾材料以及吸煙和烹調等，對人體健康有巨大的危害，能夠導致支氣管哮喘、肺水腫和肝損害等現象，甚至可致癌。為此我們一直致力于探索去除室內廢氣的辦法，減少或避免室內空氣污感給人類帶來的侵害。

董永春等[8]將納米TiO2粉體分散在水中制備了納米TiO2水分散液并將其整理在不同織物上用于室內氨氣的催化降解（如圖2所示）。他們的研究表明納米TiO2整理織物對室內氨氣具有優異的催化性能，而且由于不同纖維的結構性能不同，納米TiO2整理棉織物對氨氣的去除效果大于納米TiO2整理滌綸和滌棉混紡織物對氨氣的去除效果。黃長根等[9]研究制備的Fe-TiO2-La 負載棉織物較P25 負載棉織物具有更好的去除甲醛的效果。另外該柔性空氣凈化材料，可以利用可見光的能量分解室內環境中的有害氣體甲醛和氨氣等，有效減少人體對有害氣體的吸入，同時它還能夠吸收紫外線的能量，減緩人體或物體因紫外線照射的老化速度，將該材料應用于研發室內裝飾，具有現實意義。

4 纖維材料在噪聲污染控制中的應用

噪聲是指聲波的頻率和強弱變化毫無規律、雜亂無章的聲音。噪聲污感則是指噪聲對人或物造成了不良影響。噪聲污感與水污感、大氣污感被看成是世界范圍內3 個主要環境問題。噪聲污感主要包括交通噪聲、工業噪聲、建筑噪聲和社會噪聲，其中交通噪聲是城市噪聲污感的主要來源。噪聲能誘發人體的多種疾病，如暴震性耳聾、腸胃病和潰瘍病等。此外噪聲還會對正常生活和工作出現干擾，使得儀器失靈。因此有效的控制噪音具有重要意義。

圖2 納米TiO2 負載纖維對室內氨氣的去除（a 浸軋技術b 涂層技術）

圖3 SoundTex 吸聲非織造布的頻率吸聲曲線

吸聲材料是室內聲場和噪聲控制的有效物質條件。現在常用的吸聲材料有多孔材料和共振吸聲結構。纖維材料屬于多孔材料，礦渣棉及玻璃纖維以其低廉的成本成為傳統的吸聲纖維材料的主要組份。目前細聲材料的趨勢是使用合成纖維替代傳統吸聲纖維材料。之前，應用于建筑吸聲的多孔吸聲材料多為天然纖維如毛、麻、棉等的廢料，然而易燃及易潮等特性阻礙了其在吸聲方面的發展。含超細玻璃棉吸聲性能的合成纖維原料更易獲取，價格低廉，能有效吸收中、高頻聲波。例如腈綸纖維的吸聲系數在4000Hz 時達到最大，約為0.83高于棉纖維的吸聲系數0.60。纖維的橫截面形狀對其吸聲性能有所影響，例如由中空或三角形截面的滌綸纖維制成的織物比傳統圓形截面的滌綸纖維織物具有更好的吸聲性能。因此以無紡布為基礎材料形成的地毯和坐墊等物品應用于汽車當中，既是裝飾品，又是有效的吸聲材料。

國外研究表明，輕薄的紡織品可以代替厚重材料作為吸聲材料，聲學紡織技術已經被用來發展更好的汽車隔聲材料。此外無紡布還可以與其他共振吸聲結構相組合而產生更好的吸聲效果。SoundTex 吸聲非織造布[10]是德國研制生產的一種新型吸聲纖維材料，具有重量輕，體積小，便于收納、攜帶、安置和施工的優點。在中高頻吸聲系數較大，可以當作一種中高頻的吸聲材料進行加工使用（見圖3）。

5 纖維材料在電磁污染控制中的應用

現階段，各式各樣的電氣和電子設備紛紛進入家庭和辦公場所，為人們帶來便利的同時也讓人們受到了電磁輻射的危害，目前電磁輻射污感是并列于空氣污感、水污感和噪聲污感的第四大環境污感源[11]。電磁輻射污感主要來自電氣和電子設備運行過程中所產生的電磁，可使生物體產生生物熱作用及非熱作用，累積作用的結果會造成對人體的嚴重病理危害。人體對電磁輻射的敏感程度依波長而異，人體受波長較短的電磁波輻射時損害更大，其中微波的作用尤為顯著。人體受電磁輻射的危害具有積累性，多次積累則傷害不易恢復。WHO 的研究顯示，電磁輻射對人體的影響巨大，可誘發多種病因。因此有效防治電磁輻射越來越重要。

電磁屏蔽技術就是采用屏蔽材料將電磁場源與外界隔離開來，縮小或限制輻射范圍，進而避免電磁波的污感。電磁屏蔽的實質是利用屏蔽材料的吸收與反射效應。其中反射作用使射入屏蔽體內部的電磁能顯著減少；而射入屏蔽體內部的部分電磁能又能夠被吸收，從而使穿透屏蔽體的能量顯著降低。根據Schelkunnoff 理論，電磁波在接觸屏蔽層后會產生透射、吸收、反射和折射等現象，因此電磁屏蔽效能（SE）應為電磁波被屏蔽物反射損耗、吸收損耗及內部反射損耗的總和。屏蔽層導電性能越好，SE 值越高，屏蔽效果越好。

將電磁屏蔽纖維與基體纖維（天然纖維或合成纖維）混合通過機織或針織工藝制造電磁屏蔽織物是一種最簡單而有效的制造電磁屏蔽織物的方法。電磁屏蔽纖維又稱為導電纖維，包括高分子導電纖維和金屬型纖維。金屬型纖維主要分為金屬纖維和金屬復合纖維。金屬纖維多為鎳纖維和不銹鋼纖維，是目前制備電磁輻射防護服的主要金屬纖維，導電性好，屏蔽性高，耐熱性和抗菌性強。金屬纖維的各組分占比在5%～30 %之間。但是其具有感色性差、服用舒適性不高等缺點。在一般情況下，金屬復合纖維也稱為金屬化纖維，是通過化學鍍、電鍍和真空鍍等技術將銅、鎳和銀等金屬以分子或原子狀態覆蓋在纖維表面制備而成。鍍銅或鎳纖維織造成的織物在電磁輻射頻率0.15MHz～20 GHz 范圍內屏蔽效能達50～100 dB，可加工成窗簾或電磁輻射防護服墻布[12]。然而研究表明，銅和鎳及其絡合物不僅會引起皮膚過敏，而且還可能致癌。因此鍍銅或鎳纖維不適合制作防護服裝特別是防護內衣的纖維材料。使用鍍銀纖維制備的紡織品具有質地柔軟、透氣、輕薄、抗菌和耐腐蝕的優點，能有效屏蔽電磁輻射，對頻率在0.15MHz～20 GHz 范圍內的電磁波可屏蔽作用超過60dB。目前已在內衣、家用紡織品以及醫療、體育、軍事裝備等方面有所建樹，特別是在內衣紡織品方面有替代鍍鎳和鍍銅纖維的發展趨勢。

一般在高分子材料的基礎上，復合多種導電材料（例如金屬氧化物、炭黑或石墨等），通過紡絲法制備高分子電磁屏蔽纖維。碳纖維具有化學穩定性好、高模量和高強度的優點，使用鍍覆SiC、金屬或沉積石墨碳粒包裹碳纖維表面可以顯著提高其電磁屏蔽性能。高分子電磁屏蔽纖維可與基體纖維混合加工成各種形狀的織物。

此外，還可以通過織物金屬涂層、鍍層和復合技術制造電磁屏蔽織物。將電磁波吸收劑或導電性化合物添加到涂層整理液中，并對織物進行涂層整理，使得織物表面構成賦有電磁屏蔽性能的薄膜。此技術簡單易行，效果較為顯著，但是存在著電磁屏蔽薄膜與纖維之間的結合力差，加工織物的手感和透氣性不佳等問題。使用真空鍍金屬技術將金屬直接沉積在纖維表面制備所得到的金屬鍍層織物具有不透氣、不耐折、不耐洗和易剝離等缺點，目前僅在較小的范圍內得以應用。

6 結論

環境凈化紡織品具備其他材料所沒有的優勢，在未來的發展中具有重要地位。隨著社會的進步和工業的發展，新的環境污感問題不斷涌現，危及人類健康，亟待解決。對新型環境凈化紡織品的開發及應用也有了更高的要求與期待。