CN109126740B - 一种纳米纤维膜的制备及其在废水处理中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米纤维膜的制备及其在废水处理中的应用，涉及纳米纤维及废水处理等领域。本发明将吡啶酮大环化合物添加到聚合物纺丝液中通过静电纺丝技术制备得到纳米纤维膜，得到的纳米纤维膜对废水中的金属离子尤其是铅离子以及小分子染料尤其是阳离子型孔雀石绿染料分子具有较强选择性吸附去除性能，且本发明所用的纺丝聚合物在酸、碱条件下能稳定存在，不会发生降解，因此可以回收重复利用，节约了成本，达到环境友好的目的。

Description

一种纳米纤维膜的制备及其在废水处理中的应用
技术领域
本发明涉及一种纳米纤维膜的制备及其在废水处理中的应用，涉及纳米纤维及废水处理领域。
背景技术
在水污染的多种污染物中，重金属属于危害最大的污染物之一。科学研究表明，一些重金属离子进入人体会使人致癌、致畸等，潜伏期可长达数十年甚至更久。而在纺织工业中，80％属于印染废水，排放量很大，成分多而复杂，COD、BOD值高。印染废水属工业废水中较难治理的一种。由于技术、经济等原因，目前大多数采用的生物-物理治理方法只能达到基本排放要求。虽然在色度上略有下降，但对有机物质只是分解成较小物质，对这些分解产物性质很难控制也很难掌握，无法保证对环境不产生危害。
目前在治理废水方面方法众多，包括膜分离法、电化学法、氧化还原法以及生物法等等。这些方法虽然能够不同程度地达到处理效果，但是却各有利弊。制备新型吸附材料以其相对较低的成本、使用方法简单、稳定性、重复使用性好、处理设备要求低等优点一直是比较热门的研究方向。
吡啶酮大环化合物结构中具有特定尺寸的内部空腔，可以实现对某些客体的选择性结合。吡啶酮大环化合物对客体的分离是通过将将其溶解到与水不互溶的有机溶剂中对客体水溶液进行萃取。但该方法一方面使用了大量的有机溶剂(有毒、易挥发或易燃)存在一定的危险；另一方面重复使用困难。因此，有的研究人员试图通过物理、化学改性的方法将吡啶酮大环化合物负载到纤维素、壳聚糖等基质上进行吸附处理，但制备得到的吸附材料比表面积小，而且基质在酸、碱性条件下容易发生降解而损失。
发明内容
为了应对上述问题，本发明提供了一种对废水中的金属离子尤其是铅离子以及小分子染料尤其是阳离子型孔雀石绿染料分子具有较强选择性吸附去除性能的纳米纤维膜的制备方法及其应用。本发明所用的纺丝聚合物在酸、碱条件下能稳定存在，不会发生降解，因此可以回收重复利用，节约了成本，达到环境友好的目的。
本发明的第一个目的是提供一种纳米纤维膜的制备方法，所述方法为：将吡啶酮大环化合物添加到聚合物纺丝液中通过静电纺丝技术制备得到纳米纤维膜。
在本发明的一种实施方式中，所述吡啶酮大环化合物为吡啶酮五元环化合物。
在本发明的一种实施方法中，所述吡啶酮大环化合物化学结构为：
Figure BDA0001788398590000021
在本发明的一种实施方法中，所述聚合物为聚苯乙烯。
在本发明的一种实施方法中，所述聚苯乙烯的分子量为250000-310000。
在本发明的一种实施方法中，纺丝液中聚合物的浓度为15-25g/L。
在本发明的一种实施方法中，溶解聚合物所用溶剂为二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、甲醇中的一种或多种。
在本发明的一种实施方法中，吡啶酮大环化合物与聚合物的质量之比为1：(5-10)。
在本发明的一种实施方法中，静电纺丝电压为10-25KV。
在本发明的一种实施方法中，静电纺丝选用的针头内径为0.5-1.0mm。
在本发明的一种实施方法中，静电纺丝的针头与纺丝纤维收集板之间的距离为10-20cm。
在本发明的一种实施方法中，静电纺丝的纺丝速度为0.2-2.5mL/h。
在本发明的一种实施方法中，所述方法是将分子量为250000-310000的聚苯乙烯溶解得到浓度为15-25g/L的聚合物溶液，再按吡啶酮大环化合物与聚合物的质量之比为1：(5-10)的比例添加吡啶酮大环化合物，混合搅拌溶解均匀后得到最终的静电纺丝液。将纺丝液装入注射器中，设置静电纺丝条件参数进行纺丝，最终得到所需的纳米纤维膜。
本发明的第二个目的是提供所述纳米纤维膜的应用。
在本发明的一种实施方式中，所述应用是废水处理领域的应用，包括金属离子和印染废液染料的吸附处理。
在本发明的一种实施方式中，所述应用是去除染料分子或金属离子方面的应用，尤其是吸附带正电的染料分子或金属阳离子方面的应用。
在本发明的一种实施方式中，所述金属阳离子可以是Cr3+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Ca2+、Co3 +、Zn2+、Ni2+、Cd2+、Ag+等金属离子。
在本发明的一种实施方式中，所述染料分子可以是孔雀石绿阳离子染料，也可以是甲基橙阴离子染料和刚果红中性染料。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用静电纺丝的方法将吡啶酮大环化合物作为吸附添加剂添加到聚合物纺丝液中制成纳米纤维膜，一方面避免了液相萃取有机溶剂的使用，另一方面通过添加大环化合物静电纺丝的方法使本身疏水且对染料及金属离子基本无吸附效果的聚苯乙烯材料具备了对某类染料小分子及某些金属离子相当的吸附能力，而且添加大环化合物后静电纺丝纤维的表面形态发生变化，呈现很多凹凸折皱状，对吸附产生增益的效果，为金属离子、染料的去除提供了新思路。
(2)本发明方法简单、易操作按本方法得到的纳米纤维膜对某些金属离子和染料小分子都有较明显的选择性吸附效果。对Cr3+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Ca2+、Co3+、Zn2+、Ni2+、Cd2+、Ag+的吸附容量分别可以达到21.18mg/g、4.02mg/g、61.6mg/g、3.44mg/g、4.13mg/g、9.44mg/g、23.6mg/g、10.6mg/g、18.72mg/g、9.46mg/g；对孔雀石绿、甲基橙、刚果红的吸附容量分别达到184.21mg/g、9.33mg/g、32.54mg/g。尤其是对Pb2+和孔雀石绿的吸附性能较强和选择性高。
(3)本发明的纳米纤维膜在酸碱性条件下都比较稳定，通过解吸作用可以实现重复使用，具有较好的再生性能，环境友好。
附图说明
图1：吡啶酮大环聚苯乙烯复合纺丝膜的吸附-再生过程示意图
图2：吡啶酮大环化合物聚苯乙烯纺丝前后红外对比图；
图3：(a)聚苯乙烯静电纺丝扫描电镜图；(b)吡啶酮大环聚苯乙烯复合纺丝扫描电镜图；
图4：不同条件制备的吡啶酮大环聚苯乙烯复合纺丝膜对金属离子的吸附性能对比图；
图5：不同条件制备的吡啶酮大环聚苯乙烯复合纺丝膜对染料分子的吸附性能对比图；
图6：吡啶酮大环聚苯乙烯复合纺丝膜对孔雀石绿、Pb2+再生性能。
具体实施方案
实施例1：聚苯乙烯纳米纤维膜的制备(空白对照)
称取分子量为260000的聚苯乙烯置于二氯甲烷充分搅拌溶解均匀配制成质量浓度为25g/L的聚苯乙烯纺丝液，将其装入5mL注射器中静电纺丝，得到纯聚苯乙烯纳米纤维膜，纺丝距离为15cm，纺丝电压为10KV，针头的内径为0.5mm，纺丝液推进速度为0.2mL/h。纤维SEM图如图3a所示。
实施例2
称取分子量为260000的聚苯乙烯置于N,N-二甲基甲酰胺/四氢呋喃的混合溶液中，充分搅拌溶解成质量浓度为23g/L的聚苯乙烯纺丝液，另称取与聚苯乙烯的质量比为1：6的吡啶酮大环化合物加入上述溶液中溶解搅拌均匀后将其装入5mL注射器中静电纺丝，得到吡啶酮大环化合物聚苯乙烯复合纳米纤维膜，纺丝距离为20cm，纺丝电压为25KV，针头的内径为0.8mm，纺丝液推进速度为2mL/h。纤维SEM图如图3b所示。
实施例3：吡啶酮大环聚苯乙烯复合纳米纤维膜在吸附金属离子方面的应用
将实施例2得到的复合纳米纤维膜10mg，置于50mL浓度均为70mg/L且pH为5的金属离子溶液(分别含有金属离子Cr3+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Ca2+、Co3+、Zn2+、Ni2+、Cd2+、Ag+)中，室温搅拌条件下吸附，3h时间后测定残液中金属离子浓度进而计算得到该材料的吸附量。实验测得复合纳米纤维膜对Cr3+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Ca2+、Co3+、Zn2+、Ni2+、Cd2+、Ag+的吸附容量分别为21.18mg/g、4.02mg/g、61.60mg/g、3.44mg/g、4.13mg/g、9.44mg/g、23.60mg/g、10.59mg/g、18.72mg/g、9.46mg/g，该吸附材料表现出对Pb2+较强的选择吸附性，结果如图4所示。
实施例4：吡啶酮大环聚苯乙烯复合纳米纤维膜在吸附染料方面的应用
将15mg实施例2制得的复合纳米纤维膜置于50mL、pH为8浓度均为50mg/L的孔雀石绿、甲基橙和刚果红染料溶液中，6h后，通过UV2600紫外-可见光分光光度计测定吸附或染料残液的吸光度，对照染料浓度标准曲线得到染料残液浓度，进而计算得到吸附材料的吸附容量。实验测得吡啶酮大环化合物聚苯乙烯复合纳米纤维膜对孔雀石绿(阳离子型)、刚果红(中性)和甲基橙(阴离子型)的吸附容量分别为184.21mg/g、32.54mg/g、9.33mg/g，吸附率分别为92.6％、20.6％、4.69％。表现出对阳离子型孔雀石绿染料分子较强的选择吸附性能，其吸附容量分别是中性刚果红和阴离子型甲基橙染料的5.6倍、19.8倍，结果如图5所示。
实施例5：吡啶酮大环聚苯乙烯复合纳米纤维膜再生性能测试
将15mg实施例2制得的复合纳米纤维膜分别置于50mL、pH为8浓度均为50mg/L的孔雀石绿溶液中，搅拌吸附6h，用0.1mol/L的稀盐酸溶液或0.1mol/L的EDTA水溶液进行浸泡解吸，溶液低速搅拌保持液体的流动，1h后轻轻取出干燥后再次置于50mL、pH为8浓度均为50mg/L的孔雀石绿溶液中，如此反复使用2～5次。结果如图6所示，2-5次重复使用的吸附容量基本稳定在初始吸附容量的80％以上。
将实施例2得到的复合纳米纤维膜15mg，置于50mL浓度均为70mg/L且pH为5的Pb2+离子溶液中，室温搅拌条件下吸附3h，再用0.1mol/L的稀盐酸溶液或0.1mol/L的EDTA水溶液进行浸泡解吸，溶液低速搅拌保持液体的流动，1h后轻轻取出干燥，重复离子吸附实验。如此反复使用2～5次。结果如图6所示，2-5次重复使用的吸附容量基本稳定在初始吸附容量的80％以上。
实施例6
称取分子量为280000的聚苯乙烯置于二氯甲烷中，充分搅拌溶解成质量浓度为17g/L的聚苯乙烯纺丝液，另称取与聚苯乙烯的质量比为1：8的吡啶酮大环化合物加入上述溶液中溶解搅拌均匀后将其装入5mL注射器中静电纺丝，得到吡啶酮大环化合物聚苯乙烯复合纳米纤维膜，纺丝距离为15cm，纺丝电压为10KV，针头的内径为0.5mm，纺丝液推进速度为0.2mL/h。此条件下所得的纳米纤维膜按照实例3、4测试吸附性能，结果如表1-2所示。
实施例7
称取分子量为310000的聚苯乙烯置于N,N-二甲基甲酰胺中，充分搅拌溶解成质量浓度为20g/L的聚苯乙烯纺丝液，另称取与聚苯乙烯的质量比为1：10的吡啶酮大环化合物加入上述溶液中溶解搅拌均匀后将其装入5mL注射器中静电纺丝，得到吡啶酮大环化合物聚苯乙烯复合纳米纤维膜，纺丝距离为10cm，纺丝电压为15KV，针头的内径为0.8mm，纺丝液推进速度为1.5mL/h。此条件下所得的纳米纤维膜按照实例3、4进行吸附性能测试，结果如表1-2所示。
对比例1
称取分子量为200000的聚苯乙烯置于二氯甲烷中，充分搅拌溶解成质量浓度为17g/L的聚苯乙烯纺丝液，另称取与聚苯乙烯的质量比为1：8的吡啶酮大环化合物加入上述溶液中溶解搅拌均匀后将其装入5mL注射器中静电纺丝，得到吡啶酮大环化合物聚苯乙烯复合纳米纤维膜，纺丝距离为15cm，纺丝电压为10KV，针头的内径为0.5mm，纺丝液推进速度为0.2mL/h。将得到的纺丝纤维膜按照实施例3和4的方法进行性能测试，结果如表1-2所示。
对比例2
称取分子量为350000的聚苯乙烯置于N,N-二甲基甲酰胺中，充分搅拌溶解成质量浓度为20g/L的聚苯乙烯纺丝液，另称取与聚苯乙烯的质量比为1：10的吡啶酮大环化合物加入上述溶液中溶解搅拌均匀后将其装入5mL注射器中静电纺丝，得到吡啶酮大环化合物聚苯乙烯复合纳米纤维膜，纺丝距离为10cm，纺丝电压为15KV，针头的内径为0.8mm，纺丝液推进速度为1.5mL/h。将得到的纺丝纤维膜按照实施例3和4的方法进行性能测试，结果如表1-2所示。
对比例3
称取一定量三醋酸纤维素(CTA)溶于二氯甲烷/甲醇(体积比8:2)的混合溶剂中，配成浓度为23g/L的纤维素溶液，另称取与CTA质量比为1:6的吡啶酮大环化合物加入上述溶液混合搅拌均匀，在一定纺丝条件下(纺丝距离为15cm，纺丝电压为20KV，针头的内径为0.8mm，纺丝液推进速度为1.2mL/h)进行静电纺丝。将得到的纺丝纤维膜按照实施例3和4的方法进行性能测试，结果如表1-2所示，可知将聚合物聚乙烯变为三醋酸纤维素时，所得到的纳米纤维膜的吸附性能大大降低，尤其是对Pb2+离子的选择吸附性能大大降低。
对比例4
称取一定分子量为150000聚丙烯腈(PAN)溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，配成浓度为23g/L的溶液，另称取与PAN质量比为1:6的吡啶酮大环化合物加入上述溶液混合搅拌均匀，在一定纺丝条件下(纺丝距离为15cm，纺丝电压为20KV，针头的内径为0.9mm，纺丝液推进速度为1mL/h)进行静电纺丝。将得到的纺丝纤维膜按照实施例3和4的方法进行性能测试，结果如表1-2所示，可知将聚合物聚乙烯变为聚丙烯腈时，所得到的纳米纤维膜的吸附性能大大降低，尤其是对Pb2+离子的吸附性能大大降低。
表1不同条件下制备得到的纤维膜对金属离子的吸附结果
Figure BDA0001788398590000061
注：表格中“——”表示吸附效果很小(＜1mg/g)，作忽略不计处理
表2不同条件下制备得到的纤维膜对染料分子的吸附结果
Figure BDA0001788398590000062
Figure BDA0001788398590000071
注：表格中“——”表示吸附效果很小(＜1mg/g)，作忽略不计处理
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种选择性吸附Pb2+和孔雀石绿的纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述方法是将吡啶酮大环化合物添加到聚合物纺丝液中通过静电纺丝技术制备得到纳米纤维膜；
所述吡啶酮大环化合物和聚合物的质量比为1：(5-10)；
所述聚合物为聚苯乙烯，所述聚苯乙烯的分子量为250000-310000；
所述吡啶酮大环化合物为吡啶酮五元环化合物，其结构式为：
Figure FDA0002708515580000011
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物纺丝液的浓度为15-25g/L。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述聚合物纺丝液的溶剂为二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、甲醇中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述静电纺丝技术的纺丝电压为10-25kV，针头孔径为0.5-1.0mm，纺丝速度为0.2-2.5mL/h。
5.根据权利要求1-4任一项所述方法制备得到的纳米纤维膜。
6.权利要求5所述纳米纤维膜在废水处理领域的应用。
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