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中国科学院城市环境研究所郑煜铭:新型超多孔聚酰亚胺基中空碳纳米纤维垫的制备及其环丙沙星去除性能

学术动态    2022-06-17 15:39

DOI: 10.1016/j.seppur.2022.121341

 

本研究通过聚合物共混静电纺丝方法简便制备了一种新型超多孔聚酰亚胺基中空碳纳米纤维垫(CNFM),首先对两种不混溶的聚合物溶液(聚酰胺酸/聚甲基丙烯酸甲酯)(PAA/PMMA)进行单针静电纺丝,随后热处理,无需涉及繁琐且成本高昂的活化步骤。沿纤维长度观察,获得的PP-CNFM-1-1(PAA:PMMA=1:1,质量比)显示出良好的中空芯,具有2327m2/g的超高Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积(SBET),1.26cm3/g的大总孔体积,优于许多活化的CNFMs。PP-CNFM-1-1因其超高的SBET以及适合CIP分子的丰富孔隙(宽1-3nm)而具有700mg/g以上的较高环丙沙星(CIP)吸附能力。值得注意的是,PP-CNFM-1-1的中空芯类似于分子通道,这是其优异CIP吸附率和极短吸附平衡时间(<1h)的原因。吸附机理研究表明,孔隙填充效应和疏水相互作用在吸附过程中起主要作用。固定床吸附柱研究表明,PP-CNFM-1-1在低浓度CIP去除方面具有很大的应用潜力。

 

图1.超多孔PI基中空CNFMs的设计策略示意图。

 

图2.PI-NMF、PP-NFM-2-1、PP-NFM-1-1和PP-NFM-1-2的SEM照片(a1-d1);PI-CNMF、PP-CNFM-2-1、PP-CNFM-1-1和PP-CNFM-1-2的SEM(a2-d2)和TEM图像(a3-d3)。

 

图3.(a)PMMA粉末以及(b)纯PI-NFM和PP-NFMs的TGA曲线;(c)PI-CNFM、PP-CNFM-2-1、PP-CNFM-1-1和PP-CNFM-1-2的N2吸附-解吸等温线;(d)孔径分布。

 

图4.CIP在PI基碳纳米纤维垫上的吸附能力(剂量=40mg/L,初始CIP浓度(Cinitial)=100mg/L)。

 

图5.(a)不同pH值下PP-CNFM-1-1的CIP吸附量(剂量=100mg/L,Cinitial=100mg/L);(b)PP-CNFM-1-1的CIP形态图和pHpzc;(c)电解质种类的影响(剂量=100mg/L,Cinitial=100mg/L);(d)Cinitial的影响(剂量=40mg/L)。

 

图6.PP-CNFM-1-1上CIP吸附的动力学模型(剂量=40mg/L)。

 

图7.(a)和(b):PP-CNFM-1-1上的CIP吸附等温线(剂量=40mg/L)。(c)和(d):PP-CNFM-1-1上CIP吸附的穿透曲线(剂量=50mg,流速=60mL/h)。

 

图8.PP-CNFM-1-1上CIP吸附的可能机制。

 

图9.(a)PP-CNFM-1-1对多种有机污染物的吸附能力(剂量=40mg/L,初始浓度=50mg/L)。(b)PP-CNFM-1-1在不同水样中的CIP吸附能力(剂量=40mg/L,初始浓度=50mg/L)。