具有多级结构的有机/无机复合纳米纤维的制备及其对重金属离子的吸附性能研究

The increasing worldwide contamination of freshwater systems has become one of the key environmental problems facing humanity and heavy metal pollution is regarded as the most serious environmental problems today. In recent years, various methods for heavy metal removal from wastewater, such as chemical precipitation, ion-exchange, reverse osmosis, membrane filtration, adsorption, etc. have been extensively studied. Among these, adsorption is commonly regarded as an effective and economical method for wastewater treatment. Recently, our research group prepared polyacrylonitrile/manganese acetate composite nanofibers and porous magnetic/chitosan/ferric hydroxide microspheres, which exhibited excellent ability in heavy metal ions adsorption. We found the hybrid nano composites showed better adsorption properties than only organic or inorganic component materials. In this proposal, we plan to prepare the hierarchical organic/inorganic composite nanofibers and investigate their applications for heavy metal ions adsorption. We will investigate the phase-structure and morphology effects of metal oxide nano materials in hierarchical composite nanofibers on heavy metal ions adsorption. Moreover, investigate the diameter, membrane thickness and pore size effects of polymer matrix in hierarchical composite nanofibers on heavy metal ions adsorption. We plan to use the large specific surface area and high surface energy of metal oxide nano materials to improve adsorption capacity and rate, use the good flexibility and easy film-forming to improve the separation and regeneration performance. These hierarchical organic/inorganic composite nanofibers can be potentially applied in the environmental heavy metal ions pollution removal.

近年来，重金属污染事件频发，对人类及其他生物的生存造成严重危害，因此防治重金属污染已经成为人类刻不容缓解决的环境问题。最近，申请人研究小组制备的聚丙烯腈/醋酸锰复合纳米纤维膜和多孔壳聚糖/四氧化三铁/氢氧化铁复合微球在去除水中的重金属离子方面表现了较好的性能，通过比较发现电纺丝方法制备的有机/无机复合材料在重金属离子吸附方面表现出了优于单组分无机或有机吸附材料的特点。在此研究基础上，本项目拟通过电纺丝和水热或溶液反应方法相结合制备具有多级结构的纳米纤维，并研究其对重金属离子的吸附性能。研究多级结构中金属氧化物晶型和形貌的变化以及高分子纤维的直径、纤维膜厚度和孔径对吸附重金属离子性能的影响。利用纳米金属氧化物和多级结构的大比表面积和高表面结合能提高复合材料的吸附含量和吸附速率，利用高分子纤维的柔韧性和成膜性好提高复合材料的回收、再利用率，从而实现复合纳米纤维在重金属污染防治领域的应用。

近年来，水污染事件频发，对人类及其他生物的生存造成严重危害，因此防治水体污染已经成为人类刻不容缓解决的环境问题。本项目通过静电纺丝方法制备一系列的对水中重金属离子和有机污染物具有较好吸附性能的复合纳米纤维材料。制备了具有多级结构的胺化PAN/γ-AlOOH复合纳米纤维和具有核壳结构的α-Fe2O3/γ-Al2O3复合纳米纤维材料，通过吸附动力学研究发现多级结构和核壳结构有利于增加材料的吸附位点进而增大纳米纤维对水溶液中重金属离子的吸附含量。此外我们在对纳米纤维材料进行表面改性的研究实验中，发现纳米纤维在进行表面接枝改性后，增大了对重金属离子的吸附含量，因此我们对这一发现进行了深入的研究，并制备了酰基硫代乙酰胺基螯合聚丙烯腈纳米纤维，具有多配位基团的磷酸化胺化聚丙烯腈纳米纤维和支化聚乙烯亚胺接枝的电纺聚丙烯腈纤维，这几种纤维吸附剂都展现了极好的吸附性能，吸附效率高于目前已经报道的同类吸附剂。我们还通过静电纺丝技术与水热炭技术相结合制备了炭包覆电纺聚丙烯腈纤维，通过不同的制备方法改变了纤维膜的表面带电性质，进而对阴离子型和阳离子型污染物进行了可控选择性吸附。为了进一步制备对染料有较好吸附分离性质的膜材料，我们制备了丝胶/β-环糊精/聚乙烯醇复合纤维以及β-环糊精基纳米纤维材料膜，系统的研究了这两种膜对阳离子染料和阴离子染料的吸附分离性能，实现了对阳离子染料和阴离子染料的高效分离。本项目所制备的复合纳米纤维材料对水中的重金属离子和有机污染物展现了较好的吸附性能，并且具有很好的可再生性能，有广阔的应用前景。