静电纺丝聚丙烯腈/活性炭复合膜高效吸附水中新兴污染物

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Electrospun polyacrylonitrile/activated carbon composite membranes for efficient adsorption of emerging contaminants from water

　　

专业翻译 本研究采用一步静电纺丝技术制备了含有不同活性炭（AC）负载量（1、5和10 wt%）的聚丙烯腈/活性炭（PAN/AC）复合膜，并评估了其对三种化学性质不同的水污染物的去除效果：六价铬（Cr(VI)）作为无机污染物，亚甲基蓝（MB）作为合成染料，以及环丙沙星（CIP）作为药物污染物。扫描电子显微镜（SEM）显示，AC的加入导致纤维直径增大，从纯PAN膜的约190 nm增加到PAN/AC10的约310 nm。氮气吸附-脱附等温线表明，PAN/AC膜的比表面积（BET）和总孔体积随AC含量的增加而显著提高，其中PAN/AC10的BET比表面积达到62.7 m2/g。热重分析（TGA）显示，AC的加入提高了PAN基体的热稳定性。力学测试表明，与纯PAN膜相比，PAN/AC膜的杨氏模量和拉伸强度均有提升，其中PAN/AC10的杨氏模量为84.7 MPa，拉伸强度为3.5 MPa。在所有研究的污染物中，PAN/AC10均表现出最高的吸附容量：Cr(VI)为7.3 mg/g，MB为45.1 mg/g，CIP为10.5 mg/g。对CIP的吸附动力学研究表明，其符合准二级动力学模型（R2 = 0.999），表明化学吸附是限速步骤。此外，PAN/AC10在三个连续的吸附-脱附循环后仍保持较高的吸附性能，证明了其作为可重复使用吸附剂的潜力。这些结果表明，通过一步静电纺丝法制备的PAN/AC复合膜是一种有前景的多功能吸附材料，可用于去除水中的重金属、染料和药物残留。

论文解读文章

研究背景与目的

水污染已成为全球性重大环境挑战。工业、农业和生活活动中持续排放的重金属、合成染料和药物残留等污染物，因其持久性、毒性和对常规处理工艺的抗性，对生态系统和人类健康构成严重威胁。六价铬（Cr(VI)）作为一种高毒性、高迁移性的致癌重金属，可穿透生物膜引发氧化应激和DNA损伤；亚甲基蓝（MB）作为一种广泛使用的阳离子染料，生物降解性差且具有显著毒性；环丙沙星（CIP）作为氟喹诺酮类抗生素，在地表水中频繁检出，即使痕量浓度也可能促进抗生素耐药性的发展。

吸附法因操作简便、效率高、成本低而备受关注。静电纺丝纤维膜因其高比表面积、互连孔隙结构和易于功能化改性的特点，成为新型吸附材料的研究热点。聚丙烯腈（PAN）因其优异的可纺性、机械强度和化学稳定性而被广泛应用。活性炭（AC）作为商业吸附剂，具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，但其粉末形态存在回收困难的问题。将AC嵌入电纺PAN纤维中，可结合AC的吸附功能与纤维膜的易操作性。

然而，现有研究大多聚焦于单一污染物或单一污染物类别，缺乏在同一纤维平台内系统评估AC负载量对不同化学性质污染物吸附性能的比较研究。因此，本研究旨在通过一步静电纺丝法制备不同AC负载量的PAN/AC复合膜，系统评估AC含量对膜理化性质及其对Cr(VI)、MB和CIP三种代表性污染物吸附性能的影响。

主要关键技术方法

研究人员采用一步静电纺丝技术制备PAN/AC复合膜。将PAN溶解于DMF中配制10 wt%溶液，分别加入相对于聚合物质量1%、5%和10%的活性炭粉末，经涡旋混合和超声分散后，在25 kV电压、2 mL/h进料速率、17 cm接收距离条件下进行静电纺丝。利用扫描电子显微镜（SEM）观察纤维形貌，通过ImageJ软件测量纤维直径；采用氮气吸附-脱附等温线测定比表面积（BET）和孔径分布（BJH）；利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析表面官能团；通过热重分析（TGA）评价热稳定性；使用万能试验机进行力学性能测试。吸附实验采用批式方法，在25°C下进行24小时接触，Cr(VI)实验在pH 2条件下进行，通过紫外-可见分光光度计监测浓度变化。

研究结果

2.3.1 纤维形貌与结构表征

SEM图像显示，所有PAN/AC膜均形成连续无串珠的纤维结构。随着AC含量从0增加到10 wt%，平均纤维直径从约190 nm（纯PAN）增加到约310 nm（PAN/AC10）。EDS元素映射证实碳元素在纤维中均匀分布，表明AC颗粒被成功包埋于PAN纤维基体内。

2.3.2 比表面积与孔隙结构

氮气吸附-脱附等温线显示，纯PAN膜的BET比表面积仅为4.6 m2/g。引入AC后，比表面积显著增加：PAN/AC1为15.8 m2/g，PAN/AC5为34.2 m2/g，PAN/AC10达到62.7 m2/g。总孔体积也呈现相同趋势，从纯PAN的0.008 cm3/g增至PAN/AC10的0.065 cm3/g。孔径分布分析表明，AC的加入引入了介孔结构。

2.3.3 热稳定性

TGA分析表明，所有样品在室温至800°C范围内均呈现相似的热分解行为。纯PAN膜的起始分解温度约为290°C。AC的加入使PAN/AC膜的热稳定性略有提高，PAN/AC10在相同温度下的质量损失低于纯PAN膜。

2.3.4 力学性能

力学测试结果显示，纯PAN膜的杨氏模量为52.3 MPa，拉伸强度为2.1 MPa，断裂伸长率为12.5%。AC的加入显著提升了膜的刚度和强度：PAN/AC10的杨氏模量达到84.7 MPa，拉伸强度为3.5 MPa，而断裂伸长率降至8.2%。这表明AC颗粒起到了增强填料的作用。

2.3.5 吸附性能

在初始浓度分别为Cr(VI) 32.7 mg/L、MB 69.2 mg/L、CIP 11.7 mg/L的条件下，PAN/AC10对所有三种污染物均表现出最高吸附容量：Cr(VI)为7.3 mg/g，MB为45.1 mg/g，CIP为10.5 mg/g。吸附容量随AC含量增加而递增，与比表面积的变化趋势一致。对于Cr(VI)，在pH 2条件下的吸附主要归因于阴离子Cr(VI)物种与质子化表面位点之间的静电相互作用。

2.3.6 吸附动力学

对CIP的吸附动力学数据进行拟合发现，准二级动力学模型的相关系数（R2 = 0.999）高于准一级动力学模型（R2 = 0.947），表明化学吸附是CIP在PAN/AC膜上的限速步骤。

2.3.7 膜的可重复使用性

经过三次连续的吸附-脱附循环后，PAN/AC10对CIP的吸附容量保持在初始值的85%以上，表明该复合膜具有良好的再生性能和可重复使用潜力。

讨论与结论

研究表明，通过一步静电纺丝法可将活性炭成功嵌入PAN纤维中，制备出具有良好结构完整性和吸附性能的复合膜。AC的加入不仅提高了纤维直径、比表面积和孔体积，还改善了热稳定性和力学性能。PAN/AC10在所有测试污染物中表现最佳，尤其对MB的吸附容量高达45.1 mg/g。CIP的吸附遵循准二级动力学，表明化学吸附机制占主导。三次循环后仍保持较高吸附性能，证实了其实际应用潜力。

研究结论：本研究开发了一种通过一步静电纺丝制备PAN/AC复合膜的简便方法。AC的引入显著改善了膜的结构、热学和力学性能。PAN/AC10对Cr(VI)、MB和CIP均表现出最优吸附性能，且具有良好的可重复使用性。这些结果表明，PAN/AC电纺复合膜作为一种多功能、可回收的吸附材料，在水处理领域具有广阔的应用前景。