CN110592806A - 一种双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜及其制备方法，属于污水处理技术领域。该制备方法包括以下步骤：首先将PAN溶于DMF和丙酮的混合溶剂中得到PAN溶液，然后将La(NO3)3·6H2O加入PAN溶液中得到静电纺丝溶液；将得到的静电纺丝溶液通过静电纺丝设备进行静电纺丝得到电纺膜；然后将电纺膜置于盐酸多巴胺溶液中，恒温振荡，取出电纺膜后清洗干燥；最后将得到的电纺膜置于KMnO4溶液中，恒温振荡，取出电纺膜后经清洗干燥后即得目标产物。本发明制备方法简单，制备得到的纳米纤维膜可以有效去除水体中不同价态的砷离子。

Description

一种双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种砷去除纳米纤维膜及其制备方法，具体涉及一种双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜及其制备方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
随着经济的发展和人们生活水平的提高，砷的排放日趋严重，越来越多的河流和湖泊收到砷污染，引起水生生态系统恶化和饮用水水质安全，给人类健康带来极大的威胁。因此，高效去除水体砷迫在眉睫。
砷在水体中主要以三价砷和五价砷两种形式存在，其中，三价砷的毒性是五价砷的60倍，且三价砷不容易形成稳定的化合物，相比五价砷更难以被吸附。目前国内外去除水中砷的方法主要包括：混凝沉淀法、膜分离法、吸附法、离子交换法、氧化法、生物方法、光化学技术等。其中，吸附法是一种较为成熟且简单易行的水处理技术，但传统吸附材料吸附容量及吸附效率低，其对水体中砷的去除效果较差，尤其是对三价砷的去除效果很差，其很难将水体中的三价砷和五价砷降低到可接受的水平。现有其他改性或合成吸附材料由于自身形态及功能的限制，如粉末状无法均匀分散且易流失、吸附容量低、吸附选择性差、结构强度不足及析出毒性等，其在含砷水体处理及应用上均具有一定的局限性。因此，开发一种新型高效的除砷新材料具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜及其制备方法，该制备方法简单，制备得到的纳米纤维膜可以有效去除水体中不同价态的砷离子。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将PAN溶于DMF和丙酮的混合溶剂中得到PAN溶液，然后将La(NO3)3·6H2O加入PAN溶液中得到静电纺丝溶液；
(2)将步骤(1)得到的静电纺丝溶液通过静电纺丝设备进行静电纺丝得到电纺膜；
(3)将步骤(2)得到的电纺膜置于盐酸多巴胺溶液中，恒温振荡，取出电纺膜后清洗干燥；
(4)将步骤(3)得到的电纺膜置于KMnO4溶液中，恒温振荡，取出电纺膜后经清洗干燥后得目标产物。
优选地，所述的静电纺丝溶液中PAN与La元素的质量比为(15～8):1，静电纺丝溶液中PAN的质量分数为10～6wt％。
优选地，步骤(1)中所述的混合溶剂中DMF和丙酮的体积比为(2～4):1。
优选地，步骤(3)中所述的盐酸多巴胺溶液采用将多巴胺溶解在pH＝8.5的Tris盐酸缓冲液中制得，其中，盐酸多巴胺溶液中多巴胺的浓度为1～3g/L。
优选地，步骤(4)中所述的KMnO4溶液浓度为0.005～0.05mol/L。
优选地，步骤(2)所述的静电纺丝的参数为：纺丝电压为15～30kv，接收距离为15～30cm。
优选地，步骤(3)中恒温振荡的参数为：振荡温度为20～40℃，振荡时间为6～18h，振荡速度为110～150rpm。
优选地，步骤(4)中恒温振荡的参数为：振荡温度为20～40℃，振荡时间为6～18h，振荡速度为60～100rpm。
采用上述方法制备的双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明使用PAN和La(NO3)3·6H2O为原料，利用静电纺丝和水热法制得以PAN膜为载体、均匀负载有吸附核心纳米氢氧化镧颗粒和功能核心纳米二氧化锰颗粒的纳米纤维膜，该纳米纤维膜可以有效去除水体中不同价态的砷离子，去除率达99％；其中，该纳米纤维膜中的氢氧化镧与水体中的AsO4 3-具有优良的化学亲和力，该纳米纤维膜中的二氧化锰可以将三价砷氧化成五价砷从而易于被氢氧化镧吸附。
2.本发明利用镧在PAN溶液中的分布特性，将前驱体La(NO3)3与PAN聚合物溶液均匀混合后静电纺丝，随电纺溶液均匀分布在电纺膜上的La(NO3)3在碱性多巴胺环境下逐渐析出La(OH)3纳米颗粒均匀突出在纳米纤维表面，可以在纳米纤维表面产生大量的活性吸附位，增加La(OH)3吸附核心的表面积，从而提高纳米纤维膜对砷的吸附效率；
3.本发明利用盐酸多巴胺溶液较强的吸附性能，通过水热法生成MnO2颗粒，并使其均匀附着在纳米纤维膜表面，可以增加MnO2功能核心的表面积，提高纳米纤维膜对三价砷的氧化效率。
4.本发明制备方法过程简单，制备过程中不使用强酸强碱处理，可以削减生产成本，提高生产过程的安全性。
5.本发明制备的纳米纤维膜在吸附砷后形貌无变化，易分离，吸附后脱附条件简单。
附图说明
图1为实施例1制得的纳米纤维膜的1um扫描电镜图。
图2为实施例1制得的纳米纤维膜对含砷水体进行处理后其表面吸附的砷价态XPS
图3为对比例1制得的纳米纤维膜对含砷水体进行处理后其表面吸附的砷价态XPS
具体实施方式
下面通过实施例子，进一步阐述本发明的特点，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1：
一种双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将PAN溶于DMF和丙酮的混合溶剂中得到PAN溶液，然后将La(NO3)3·6H2O加入PAN溶液中得到静电纺丝溶液；其中，混合溶剂中DMF和丙酮的体积比为3:1，静电纺丝溶液中PAN与La元素的质量比为10:1，静电纺丝溶液中PAN的质量分数为8wt％；
(2)将步骤(1)得到的静电纺丝溶液通过静电纺丝设备进行静电纺丝得到电纺膜；其中，静电纺丝的参数为：纺丝电压为20kv，接收距离为20cm。
(3)将步骤(2)得到的电纺膜置于多巴胺浓度为2g/L的盐酸多巴胺溶液中，在25℃恒温培养摇床中以130rpm的速度振荡12h，取出电纺膜后经去离子水清洗去除表面溶液残留后干燥；其中，盐酸多巴胺溶液采用将多巴胺溶解在pH＝8.5的Tris盐酸缓冲液中制得；
(4)将步骤(3)得到的电纺膜置于浓度为0.01mol/L KMnO4溶液中，在25℃恒温培养摇床中以80rpm的速度振荡12h，取出电纺膜后经去离子水清洗去除表面溶液残留后干燥即得目标纳米纤维膜。
上述制得的目标纳米纤维膜的扫描电镜图如图1所示，其直径在100～300nm之间。
将上述制得的目标纳米纤维膜浸入到100ml含砷水体中，其中，含砷水体中三价砷和五价砷的初始浓度均为10mg/L，反应5min后，测定含砷水体中三价砷和五价砷的浓度均低于0.1mg/L，这表明该纳米纤维膜可以有效去除水体中不同价态的砷离子，去除率达99％；对反应5min后的纳米纤维膜表面进行XPS测试，如图2所示，可以看到纳米纤维膜表面吸附的砷几乎均为五价砷，这表明纳米纤维膜可以将水体中的三价砷氧化成五价砷并吸附去除。
实施例2：
一种双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将PAN溶于DMF和丙酮的混合溶剂中得到PAN溶液，然后将La(NO3)3·6H2O加入PAN溶液中得到静电纺丝溶液；其中，混合溶剂中DMF和丙酮的体积比为2:1，静电纺丝溶液中PAN与La元素的质量比为8:1，静电纺丝溶液中PAN的质量分数为6wt％；
(2)将步骤(1)得到的静电纺丝溶液通过静电纺丝设备进行静电纺丝得到电纺膜；其中，静电纺丝的参数为：纺丝电压为15kv，接收距离为30cm。
(3)将步骤(2)得到的电纺膜置于多巴胺浓度为3g/L的盐酸多巴胺溶液中，在25℃恒温培养摇床中以110rpm的速度振荡18h，取出电纺膜后经去离子水清洗去除表面溶液残留后干燥；其中，盐酸多巴胺溶液采用将多巴胺溶解在pH＝8.5的Tris盐酸缓冲液中制得；
(4)将步骤(3)得到的电纺膜置于浓度为0.05mol/L KMnO4溶液中，在25℃恒温培养摇床中以60rpm的速度振荡18h，取出电纺膜后经去离子水清洗去除表面溶液残留后干燥即得目标纳米纤维膜。
将上述制得的目标纳米纤维膜浸入到100ml含砷水体中，其中，含砷水体中三价砷和五价砷的初始浓度均为10mg/L，反应5min后，测定含砷水体中三价砷和五价砷的浓度均低于0.1mg/L。
实施例3：
一种双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将PAN溶于DMF和丙酮的混合溶剂中得到PAN溶液，然后将La(NO3)3·6H2O加入PAN溶液中得到静电纺丝溶液；其中，混合溶剂中DMF和丙酮的体积比为4:1，静电纺丝溶液中PAN与La元素的质量比为15:1，静电纺丝溶液中PAN的质量分数为10wt％；
(2)将步骤(1)得到的静电纺丝溶液通过静电纺丝设备进行静电纺丝得到电纺膜；其中，静电纺丝的参数为：纺丝电压为30kv，接收距离为15cm。
(3)将步骤(2)得到的电纺膜置于多巴胺浓度为1g/L的盐酸多巴胺溶液中，在25℃恒温培养摇床中以150rpm的速度振荡6h，取出电纺膜后经去离子水清洗去除表面溶液残留后干燥；其中，盐酸多巴胺溶液采用将多巴胺溶解在pH＝8.5的Tris盐酸缓冲液中制得；
(4)将步骤(3)得到的电纺膜置于浓度为0.005mol/L KMnO4溶液中，在25℃恒温培养摇床中以100rpm的速度振荡6h，取出电纺膜后经去离子水清洗去除表面溶液残留后干燥即得目标纳米纤维膜。
将上述制得的目标纳米纤维膜浸入到100ml含砷水体中，其中，含砷水体中三价砷和五价砷的初始浓度均为10mg/L，反应5min后，测定含砷水体中三价砷和五价砷的浓度均低于0.1mg/L。
对比例1：
(1)将PAN溶于DMF和丙酮的混合溶剂中得到PAN溶液，然后将La(NO3)3·6H2O加入PAN溶液中得到静电纺丝溶液；其中，混合溶剂中DMF和丙酮的体积比为3:1，静电纺丝溶液中PAN与La元素的质量比为10:1，静电纺丝溶液中PAN的质量分数为8wt％；
(2)将步骤(1)得到的静电纺丝溶液通过静电纺丝设备进行静电纺丝得到电纺膜；其中，静电纺丝的参数为：纺丝电压为20kv，接收距离为20cm。
(3)将步骤(2)得到的电纺膜置于多巴胺浓度为2g/L的盐酸多巴胺溶液中，其中，盐酸多巴胺溶液采用将多巴胺溶解在pH＝8.5的Tris盐酸缓冲液中制得，在25℃恒温培养摇床中以130rpm的速度振荡12h，取出电纺膜后经去离子水清洗去除表面溶液残留后干燥即得砷去除纳米纤维膜。
将上述制得的目标纳米纤维膜浸入到100ml含砷水体中，其中，含砷水体中三价砷和五价砷的初始浓度均为10mg/L，反应5min后，测定含砷水体中三价砷和五价砷的浓度分别为6.5mg/L和0.05mg/L；对反应5min后的纳米纤维膜表面进行XPS测试，如图3所示，可以看到纳米纤维膜表面既吸附有五价砷也吸附有三价砷。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将PAN溶于DMF和丙酮的混合溶剂中得到PAN溶液，然后将La(NO3)3·6H2O加入PAN溶液中得到静电纺丝溶液；
(2)将步骤(1)得到的静电纺丝溶液通过静电纺丝设备进行静电纺丝得到电纺膜；
(3)将步骤(2)得到的电纺膜置于盐酸多巴胺溶液中，恒温振荡，取出电纺膜后清洗干燥；
(4)将步骤(3)得到的电纺膜置于KMnO4溶液中，恒温振荡，取出电纺膜后经清洗干燥后得目标产物。
2.如权利要求1所述的双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的静电纺丝溶液中PAN与La元素的质量比为(15～8):1，静电纺丝溶液中PAN的质量分数为10～6wt％。
3.如权利要求1所述的双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的混合溶剂中DMF和丙酮的体积比为(2～4):1。
4.如权利要求1所述的双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的盐酸多巴胺溶液采用将多巴胺溶解在pH＝8.5的Tris盐酸缓冲液中制得，其中，盐酸多巴胺溶液中多巴胺的浓度为1～3g/L。
5.如权利要求1所述的双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的KMnO4溶液浓度为0.005～0.05mol/L。
6.如权利要求1所述的双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的静电纺丝的参数为：纺丝电压为15～30kv，接收距离为15～30cm。
7.如权利要求1所述的双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中恒温振荡的参数为：振荡温度为20～40℃，振荡时间为6～18h，振荡速度为110～150rpm。
8.如权利要求1所述的双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜的合成方法，其特征在于，步骤(4)中恒温振荡的参数为：振荡温度为20～40℃，振荡时间为6～18h，振荡速度为60～100rpm。
9.采用权利要求1～8任一所述方法制备的双纳米功能核心负载的砷去除纳米纤维膜。
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