基于聚乙烯亞胺納米纖維親和膜研究.pdf

1、水資源短缺和水環(huán)境惡化是當今世界普遍存在的問題,重金屬離子和有機染料污染廢水由于對人和牲畜等生物體具有較高的毒性而受到研究人員的廣泛關注。親和膜分離技術同時具有親和色譜選擇性高、分離速度快、能耗低和膜分離技術操作條件溫和、無污染、無相變、易放大的特點而被廣泛用于環(huán)境修復領域。
　　本文的主要研究了基于聚乙烯亞胺納米纖維親和膜對水體重金屬離子和陰離子染料分子的去除性能和檢測。首先,以聚乙烯醇溶液對聚乙烯亞胺進行共混改性,采用濕法靜電

2、紡絲方法制備了交聯(lián)聚乙烯亞胺/聚乙烯醇納米纖維親和膜,用于水體重金屬離子廢水的去除;然后,以聚醚砜溶液對聚乙烯亞胺進行共混改性,采用干法靜電紡絲-溶劑刻蝕后處理工藝制備了一種具有微納結(jié)構(gòu)的聚乙烯亞胺/聚醚砜納米纖維親和膜,用于重金屬離子和陰離子染料廢水的脫除;經(jīng)上述兩種納米纖維親和膜處理之后的水溶液中金屬離子的濃度需要對其進行檢測以使其達到環(huán)保的要求。
　　因此本文最后合成了一種對水體中銅離子具有選擇性識別功能的熒光化合物,并將其

3、共混到聚醚砜體系內(nèi),采用靜電紡絲方法制備出對水體微量銅離子具有高效選擇性識別功能的納米纖維親和膜傳感器。
　　1、以聚乙烯亞胺(PEI)為吸附劑、聚乙烯醇(PVA)為助紡劑,采用濕法靜電紡絲技術制備出對水體銅、鉛、鎘等重金屬離子具有高效吸附功能的PEI/PVA納米纖維親和膜。濕法靜電紡絲中凝固浴由交聯(lián)劑戊二醛(GA)和PEI的不良溶劑N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)組成。這種濕法靜電紡絲方法可以消除在靜電紡絲過程中溶劑揮發(fā)不完全導

4、致納米纖維表面粘結(jié)的現(xiàn)象。當PVA的摻雜量為10％時,PEI/PVA納米纖維的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)最為理想,PEI/PVA納米纖維的平均直徑約為650nm,且納米纖維表面光滑;PEI/PVA納米纖維親和膜對Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)三種金屬離子的平衡吸附模型更適于用Langmuir等溫模型來描述,且最大飽和吸附量分別為70.92mg/g、121.95mg/g和94.34mmg/g;PEI/PVA納米纖維親和膜能夠在0.05MEDTA溶液

5、中再生,經(jīng)過3次吸附-脫附循環(huán)實驗之后,對銅離子的吸附效率仍然能夠保持95.6%。此外,和文獻報道的流延膜相比,PEI/PVA納米纖維親和膜對銅和鎘的最大吸附量分別增加了1.31倍和2.27倍。
　　2、以聚醚砜(PES)為助紡劑,采用干法靜電紡絲技術制備PEI/PES納米纖維。當聚合物總濃度為30%、PEI/PES質(zhì)量比為1.4/1時,所得納米纖維截面為圓形、表面光滑的良好微觀形態(tài)結(jié)構(gòu),納米纖維平均直徑約為300nm。此外,從納

6、米纖維的SEM照片上可以看出,在靜電紡絲的過程中,PEI組分傾向于遷移到納米纖維的表面。采用丙酮/水/戊二醛交聯(lián)體系對PEI/PES納米纖維進行交聯(lián)后處理,發(fā)現(xiàn)納米纖維上PEI組分在交聯(lián)中由于PEI大分子和溶劑水分子的溶劑化作用而刻蝕,以微球的形式沉積在納米纖維的表面,并且這種微納結(jié)構(gòu)的形成與交聯(lián)體系中水的含量有關,當交聯(lián)體系中水的含量高于20%時,能夠得到均勻的微納結(jié)構(gòu)的納米纖維膜,且納米纖維上的突起小球的直徑范圍為50-250nm。

7、由氮吸附-脫附(BET)和銅離子吸附實驗證明,當交聯(lián)體系中水的含量為30%時,所制備的微納結(jié)構(gòu)PEI/PES納米纖維膜的比表面積最大,為7.27m2/g。
　　3、研究了微納結(jié)構(gòu)PEI/PES納米纖維親和膜對水溶液中重金屬離子和陰離子染料的吸附性能和機理。發(fā)現(xiàn)溶液起始pH值對微納結(jié)構(gòu)PEI/PES納米纖維親和膜表面的性質(zhì)有著重要影響:在酸性條件下,微納結(jié)構(gòu)PEI/PES納米纖維親和膜對陰離子染料具有較好的吸附性能,而對重金屬離子的

8、吸附更需要起始溶液呈中性;微納結(jié)構(gòu)PEI/PES納米纖維親和膜對陰離子染料和重金屬離子的吸附行為更適合用Langmuir等溫吸附模型來描述,從Langmuir等溫吸附模型計算出PEI/PES納米纖維膜對日落黃、固綠、莧菜紅、鉛離子、銅離子和鎘離子的飽和吸附量分別為1000mg/g、344.83mg/g、454.44mg/g、94.34mg/g、161.29mg/g和357.14mmg/g;微納結(jié)構(gòu)PEI/PES納米纖維親和膜對重金屬離子

9、的吸附速率要快于陰離子染料,吸附動力學更符合準二級動力學模型和顆粒內(nèi)擴散模型;微納結(jié)構(gòu)PEI/PES納米纖維親和膜對重金屬離子和陰離子染料的吸附過程都是自發(fā)進行且都屬于物理吸附,但是對重金屬離子的吸附則是放熱反應,而對陰離子染料的吸附是吸熱反應。親和膜的再生研究結(jié)果表明,0.05MEDTA和0.05MNaOH分別是吸附重金屬離子和陰離子染料PEI/PES納米纖維親和膜的理想再生溶液。
　　4、經(jīng)上述兩種納米纖維親和膜處理之后的水溶

10、液中金屬離子的濃度需要對其進行檢測以使其達到環(huán)保的要求,本文合成了一種羅丹明酰肼水楊醛席夫堿熒光分子,發(fā)現(xiàn)當銅離子與該熒光分子絡合之后會導致羅丹明分子內(nèi)開環(huán),使其從非共軛結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成共軛結(jié)構(gòu)而具有較強的熒光性質(zhì),且該熒光分子對水體銅離子的檢測限為1×10-6M。此外,將羅丹明酰肼水楊醛席夫堿熒光分子與聚醚砜共混,采用靜電紡絲技術成功制備了一種新型納米纖維熒光傳感器,并將其用于水體微量銅離子的檢測。發(fā)現(xiàn)納米纖維上的熒光分子對銅離子的高效選擇