电纺聚合物纳米纤维的复合功能化及其去除EOCs机理

As for the increasingly serious pollution of emerging organic contaminants (EOCs) in water, a structural design method is used in this study. Firstly, the fibers of nylon 6, polyamide acid, polylactic acid and chitosan with functional groups were prepared by electropinning. Secondly, the synthesized polyimide porous organic polymer was used to modify the electrospun fiber. Thus, a series of multi-functional polymer nanofiber composite materials were prepared. The small diameter, large specific surface area and high porosity of the fibers are beneficial to remove the pollutants. The porous organic polymer loaded on the surface of the fibers will be acted as the "multi-functional trap" in the fibrous composites, because their many micropores and modified chemical active sites are contribute to capture composite organic pollutants. The structure and morphology of the electrospun fiber, polyimide porous organic polymer and their compound functional materials,and the treatability of EOCs were studied. The reaction mechanism of different compound functional materials was examined, and the corresponding reaction path, kinetic characteristic and multi-functional synergistic treatability mechanism were explored,which enhance the removal efficiency of micropollutants and provide a new method and theoretical foundation for the research of novel environmental nano-materials and treatability of emerging organic micropollutants.

针对水体新兴有机复合污染日益严重的现实问题，本项目采用结构设计方法，选择表面带有功能基团的尼龙６、聚酰胺酸、聚乳酸、壳聚糖，通过静电纺丝技术制备单一或共混纤维，再采用合成的聚酰亚胺多孔聚合物，对电纺纤维进行复合功能化改性，制备一系列多功能的聚合物纳米纤维复合材料。纤维的小直径、大比表面积和高孔隙率有利于污染物的去除；同时负载在纤维表面的有机多孔聚合物成为分布在电纺纤维材料中的"多功能捕捉器"，其结构中存在大量的微孔以及修饰后的化学活性位点有利于提高对复合有机污染物的捕捉。研究电纺纤维、多孔聚合物及其复合功能化材料的结构形貌，以及去除EOCs的性能；考察不同的复合功能化纳米纤维材料的作用机制，探索相应的反应途径、动力学特征和功能化协同去除机理，从而提升微污染物去除效能，为新型纳米环境材料的研发和新兴微污染有机物的去除提供新的方法和理论基础。

针对水体新兴有机污染物日益严重的现实问题，本项目设计合成了一系列新型多孔聚合物材料，包括电纺聚合物纳米纤维（PA6/CS、PAA）、聚酰亚胺有机多孔聚合物(PI)、富胺基多孔有机聚合物（RAPOP）及其复合材料（g-C3N4/RAPOP、CNT/PI、PA6/PI纤维、PLLA/PI纤维、PA6/CS-Fe3+纤维）、聚酰亚胺基碳纳米纤维（CNFs）及负载碳颗粒的碳纳米纤维（CNFs@CNPs），系统研究了它们的制备、表征以及对水体中常见的典型有机污染物（有机染料、抗生素、氯酚等）的吸附性能，探索了单一及复合材料吸附去除水体有机污染物的反应动力学、热力学模型以及吸附机理。研究结果表明复合功能化实现了材料的优势互补，可以提供更大的比表面积、更丰富的孔隙和功能基团，具有更好的吸附性能。碳化氮支撑的富胺基有机多孔聚合物以g-C3N4的层状结构作为骨架，聚合物纳米颗粒沿其层状结构生长分布，有效地避免颗粒团聚引起的结构缺陷，形成了具有微孔/中孔/大孔的三维空间网络结构，比表面积和总孔体积大大增加，达到540.36 m2•g-1和1.502 cm3•g-1 (MA/TA/PMDA (4/2/2))，提高了对甲基橙 (MO) 和2,4-二氯苯酚 (2,4-DCP) 的吸附能力。吸附机理除孔道捕获外，还有静电作用、π-π共轭和氢键相互作用。通过同轴静电纺丝技术制备了新型核/壳结构尼龙6/壳聚糖-Fe3+(PA6/CS-Fe3+)复合纤维。该复合纤维对四环素（TC）吸附效果很好，298.15K的最大单分子层吸附量约为175mg/g；除了氢键和静电作用外， Fe3+与TC中的氨基和羟基官能团的络合作用提高了其吸附能力。将有机多孔聚合物与电纺纤维复合制备的PA6/PI、PLLA/PI纤维膜作为吸附材料，相比纳米颗粒具备更大的优势，避免了颗粒团聚又利于回收使用。以PI纤维为载体，通过水热法制备负载碳质纳米颗粒的碳纳米纤维CNFs@CNPs。其比表面积从715.89m2•g−1增加到3561.59m2•g-1，且有大量的介孔结构。298K时对TC和亚甲基蓝（MB）的吸附量分别为543.48和746.27mg•g-1，增加了270.65%和173.88%。CNFs@CNPs对原水中的TC和MB也具有较高的吸附能力。本研究成果为新型环境纳米材料的功能化和高性能化提供了新方法和理论基础。