聚乙烯亚胺功能化磁性氧化钐纳米复合材料对水体中草甘膦的高效吸附研究：机理与应用

《Separation and Purification Technology》：High purity vanadium pentoxide (V 2O 5) obtained from uranium mining leachates using a selective ion-exchange resin: synergistic adsorption–precipitation and mechanistic approaches

本文报道了一种新型聚乙烯亚胺（PEI）功能化磁性氧化钐（Sm2O3）纳米复合材料（PEI/Fe3O4-Sm2O3, PFS）的制备及其对水体中草甘膦（GLY）的高效吸附性能。该材料通过一锅法合成，结合了PEI的高密度氨基、Fe3O4的磁分离特性以及Sm2O3对磷酸基团（PO43?）的高亲和力，在优化条件下对GLY的吸附率高达92.3%，最大吸附容量达178.5 mg/g。研究表明其吸附机制涉及静电作用、氢键和共价键的协同促进，且材料具有良好的可重复使用性，在实际水体（白云湖、思丫河、农田水）的GLY应急处理中展现出巨大应用潜力。

　　

Highlight

基于氨基（NH₂）和金属氧化物（MOs）与磷酸基团（PO₄^3?）之间的独特亲和相互作用，本研究分别以Fe³⁺、Fe²⁺和Sm³⁺作为金属离子源，聚乙烯亚胺（PEI）作为功能单体，氨水作为沉淀剂，采用“一锅法”制备了一种新型PEI功能化磁性稀土氧化钐金属氧化物复合纳米材料（PEI/Fe₃O₄-Sm₂O₃，简称PFS），用于研究模拟水体突发污染中高浓度草甘膦（GLY）的吸附行为。随后，我们成功地利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、比表面积分析（BET）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、振动样品磁强计（VSM）等技术对PFS吸附剂进行了表征和分析。我们进行了单因素吸附实验，以探究GLY初始浓度（C₀）、溶液pH值、吸附剂投加量（m）和振荡时间等因素如何影响PFS对GLY的吸附。在优化条件下，PFS对GLY的吸附率可达92.3%，最大饱和吸附容量Q_max = 178.5 mg/g。此外，经过4次GLY的吸附-解吸循环后，PFS仍具有一定的可重复利用性。另外，通过等温吸附模型检验，Langmuir模型（R² = 0.962）能更好地描述该吸附过程。动力学模型很好地符合伪二级动力学（R² = 0.999），且吸附过程是自发和吸热的。除此之外，我们初步探讨了PFS吸附GLY的可能机制，该过程由三种主要吸附机制协同促进，包括静电相互作用、氢键以及共价键。更有趣的是，由于Sm₂O₃与-HPO₃^?、NH₄⁺与-HPO₃^?/-COO^?之间的协同相互作用，本研究首次将具有高亲和力的PEI功能化磁性纳米Sm_{23用作GLY的吸附剂。最后，PFS通过便捷快速的磁分离过程被用于去除真实水环境（白云湖、思丫河和农田水）中的残留GLY。在不同基质水体的加标实验中，GLY的吸附去除率均高于95%，能够避免GLY残留对水环境造成的不利影响。上述结果表明，PEI/Fe3O4-Sm2O3作为一种新型优异的纳米吸附剂，对GLY表现出优异的吸附能力，在实际水处理应用中，特别是针对高浓度GLY造成的紧急水体污染，展现出巨大潜力。}

Chemicals and reagents

氯化铁（FeCl₃·6H₂O）购自天津大茂化学试剂厂。氯化亚铁（FeCl₂·4H₂O）购自天津致远化学试剂有限公司。六水合硝酸钐（Sm(NO₃)₃·6H₂O）购自龙仁试剂。聚乙烯亚胺（PEI, (CH₂CH₂NH)_n, 分子量1800, 99%）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。氨水（25%–28%）由重庆川东化工（集团）有限公司提供。无水乙醇由天津富宇精细化工有限公司提供。本研究中使用的所有化学试剂均为分析纯，无需进一步纯化即可使用。实验用水为超纯水（18.2 MΩ cm）。

Adsorption pre-experiment

我们合成了七种不同的磁性纳米复合材料，即Fe₃O₄、PFS、PF、FS、m-PFS、m-PF和m-FS，以及两种非磁性纳米复合材料PS和m-PS，它们使用了不同的金属离子前驱体，并且部分材料经过了熟化过程。这些材料分别被用作纳米吸附剂来吸附去除GLY。实验结果如图S1所示。在相同条件下，PFS对GLY实现了较高的吸附容量（Q = 110.14 mg/g），表明PFS是用于后续吸附实验的合适吸附剂。

Conclusion

本文成功采用一锅法合成了一种新型PEI功能化磁性Sm₂O₃吸附剂（PEI/Fe₃O₄-Sm₂O₃, PFS），其结构包含棒状Fe₃O₄以及Fe₃O₄-Sm₂O₃的不规则异质团聚集体，并利用多种技术手段对其进行了系统表征。该研究以草甘膦（GLY）为污染物模型，评估了PFS优异的吸附性能，重点考察了接触时间（t）、吸附剂质量（m）、初始GLY浓度（C₀）、溶液pH值、共存离子和腐殖酸等因素的影响。