基于电纺纳米纤维膜的重金属离子高效吸附材料的制备及其性能研究

Heavy metal ions, chromium Cr (VI), are threatening the environment and human health seriously due to its high stability and toxicity, and thus needs to be urgently dissolved. Up to now, adsorption is the main method to remove the Cr (VI) from water due to its high removal efficiency and easy operation. Recently, nano-adsorbents, especially nano oxides powders, have exhibited excellent removal efficiency and potential applications due to their high surface-to-volume area and activity. However, high activity is restricting the extensive applications of nano-adsorbents in two aspects, agglomeration and low reuse efficiency due to the difficult solid-liquid phase separation. Therefore, to avoid the agglomeration and to get a high reuse efficiency is the key and critical points in the research of nano-adsorbents. In the current research, using electrospinning as the dominant technique, self-standing three dimensional (3D) polymer composite nanofibrous membranes containing the nano oxides, which can remove Cr (VI) efficiently, and the nanofibers was fabricated. The composite nanofibrous membranes were used to remove Cr (VI) from water. The nano oxides are distributed on the nanofibers uniformly, effectively avoiding the agglomeration. Furthermore, the membrane can be easily recycled due to the unique mechanical properties of nanofibers. Moreover, the membrane can be integrated into other matrixes, such as filters, realizing the multi-functional assembly for the water treatment.

水中Cr(VI)等重金属离子的污染是危害社会环境和人类健康亟待解决的问题。近年来纳米吸附材料，尤其是纳米无机氧化物，在去除Cr(VI)等重金属离子的研究中表现出很好的效果而广受关注。但是纳米粉体的团聚和回收困难限制了其更为广泛的应用。有效解决团聚和回收再利用问题是目前纳米吸附材料研究中的难点。本申请提出以高分子电纺纳米纤维为支撑体，采用原位转化法将对Cr(VI)等重金属离子有优良吸附效果的纳米无机氧化物均匀且稳固地生长在高分子电纺纳米纤维上，制备出宏观可操作且高效吸附重金属离子的纳米纤维复合膜，研究纳米无机氧化物在纤维膜上的生长机制，研究纳米无机氧化物在纤维膜上稳固生长的方法，研究纳米纤维复合膜吸附水中Cr(VI)的机理，研究纳米纤维复合膜中组分、含量、结构及溶液环境等因素对重金属离子吸附性能的影响，研究纳米纤维复合膜回收再利用性等，为开发基于纳米纤维膜的重金属离子吸附材料和器件奠定基础。

水中Cr(VI)、Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)等重金属离子的污染已经成为社会环境和人类健康的重大危害。以Cr(VI)为例，水中Cr(VI)的含量如过高，就会引起慢性头痛、鼻血病、呼吸道疾病、肝病、心脏病、生殖系统疾病、骨骼器官的破坏和癌症等，严重威胁人类健康。但由于Cr(VI)在实际生产生活中仍然被大量地应用，其造成的污染广泛存在。因此去除水中的重金属离子Cr(VI)，净化水源，改善环境已经成为当今社会的一个重大问题。目前，纳米吸附材料由于其更大的比表面积和更多的表面活性位等特点在水中重金属离子的去除领域表现出了更好的性能和潜在应用价值，如纳米氧化铁和纳米氧化钛在去除水中Cr(VI)方面表现出了非常好的性能。但纳米吸附材料的实际应用受两方面的因素制约：一是高表面活性导致的纳米材料在水溶液中的团聚问题；二是小尺寸导致的难回收重复利用问题。本项目提出以高分子电纺纳米纤维膜为支撑体，采用原位转化的方法，将对Cr(VI)有优良去除效果的纳米吸附材料（如FexOy、Mg(OH)2等）均匀、稳固地生长在高比表面积的高分子电纺纳米纤维膜上，成功制备了基于自支撑、柔性电纺纳米纤维膜的重金属离子高效吸附复合材料，如尼龙6(PA6)@Mg(OH)2、热塑性弹性体(TPEE)@FexOy、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)@水滑石(LDH)、偕胺肟化改性聚丙烯腈(AOPAN)@Mg(OH)2等。并充分研究了纳米吸附材料在高分子电纺纳米纤维膜上的生长机理和稳固生长的方法、以及电纺纳米纤维复合膜吸附水中Cr(VI)的机理。项目研究得出电纺纳米纤维表面原位生长纳米吸附材料的制备工艺，前驱体溶液浓度和水热反应温度及时间对复合膜形貌、纳米吸附剂微结构和结晶状态的影响规律，发现调控纳米纤维膜官能团和表面纳米吸附剂微结构可以明显改善复合膜的吸附能力。发现亲水性较强的PA6作为支撑膜，制备的PA6@FexOy最大吸附量可达到117.0 mg/g，PA6@Mg(OH)2最大吸附量可达到296.4 mg/g，PA6@LDH最大吸附量可达到242.0 mg/g。发现聚合物官能团与纳米吸附剂可以发挥协同效应，提高复合膜的吸附效率。通过本项目的研究为开发污染水体中重金属离子高效低廉治理用新型膜材料和技术奠定基础。