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【材料】河北工业大学王瑞虎课题组：仿生材料协同捕获水中重金属和全氟烷基化合物污染物

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2024-12-11 08:09

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近日， 河北工业大学 化学与化工学院 王瑞虎 研究员和梁均博士等在化工和环境著名学术期刊 Chemical Engineering Journal 上发表研究论文，针对同时吸附移除水体中重金属阴离子和全氟烷基化合物的科学难题，提出了一种 基于多孔离子聚合物的仿生吸附系统，该系统具有高密度咪唑鎓盐和抗衡氯离子以及多级孔结构，可以有效地同时去除全氟辛烷磺酸 (PFOS) 和重铬酸盐。 研究表明，ImIP-6具有两种类型的吸附域，其中咪唑基阳离子表面能够诱导体积较大的PFOS主要在外表面孔富集并在外表面形成胶束，而不会明显干扰重铬酸盐在内部孔隙中的高效吸附富集，从而实现了分级协同吸附。本研究提供了一种基于分级吸附域仿生系统的污水修复新材料。

水溶性重金属和全氟化合物具有高毒性和生物蓄积性，给环境治理和生命体健康带来了严峻挑战。发展先进技术实现水体中重金属（如重铬酸）及全氟烷基化合物的同时移除，是电镀行业及相关领域亟待解决的难题。全氟辛烷磺酸（PFOS）作为铬雾抑制剂在工业上广泛应用，以减少电镀铬过程中对大气的污染。导致废水通常含有重铬酸盐和PFOS。由于重铬酸盐和PFOS在电镀废水中都以含氧阴离子形式存在，因此往往在吸附剂上存在竞争吸附。发展基于多孔材料的吸附技术同时去除废水中的重铬酸盐和PFOS是一个具有科学研究意义和工业应用前景的热点问题。

受自然界植物叶片分层多孔结构的启发（图1a，左）。作者预期各种阴离子污染物可能在阳离子吸附剂材料的不同特定吸附域内被吸附。考虑到具有长疏水C-F链和带负电荷头部的PFOS在纳米多孔材料的阳离子表面富集后可能形成胶束，并且通过离子交换可以捕获小的重铬酸盐阴离子，因此，如果离子聚合物的外表面含有高浓度的局部阳离子基团，而内部孔隙中含有大量的阴离子，那么PFOS和重铬酸盐可能被这种具有分层吸附域的仿生材料选择性地去除（图1a，右）。

图1. (a) 构建叶片型人工清洁系统同步去除全氟辛烷磺酸和重铬酸盐的分级吸附域策略。(b) ImIP-6合成方案。(c) BCMP、HImB和ImIP-6的FT-IR光谱。(d) ImIP-6的固态 ¹³ C 核磁共振谱。(e) ImIP-6的TEM图像，(f) ImIP-6的元素映射图像

作者报道了一种咪唑基离子聚合物（ImIP-6），该聚合物在宿主骨架中具有高密度的带正电荷的咪唑基团，而在内部孔隙中具有电荷平衡的氯化物。由于ImIP-6在外表面和内部孔隙中具有分层吸附结构，因此对重铬酸盐和PFOS具有较高的吸附能力和快速的吸附动力学。值得注意的是，在各种干扰离子存在的情况下，ImIP-6都可以选择性地去除重铬酸盐和PFOS。ImIP-6易于再生和重复使用，并保持较高的吸附效率。

实验验证了重铬酸盐和PFOS同步去除的机理（图2f）。ImIP-6的电荷平衡氯离子与重铬酸盐阴离子和PFOS进行快速阴离子交换，而ImIP-6主骨架中的咪唑基团在与重铬酸盐水溶液和PFOS水溶液接触时与这两种污染物形成静电相互作用，完成初始表面吸附。随着阴离子交换的持续进行，部分PFOS可能会扩散到ImIP-6中，而大部分PFOS分子会通过表面静电相互作用和疏水相互作用在ImIP-6的外表面形成半胶束或胶束，导致吸附量明显高于理论值。由于体积较小，铬（VI）阴离子可以通过静电相互作用吸附在外表面和内部孔隙中。对两种阴离子污染物均可快速达到吸附平衡。值得注意的是，重铬酸盐和PFOS可以很容易地用氯化钾水溶液从ImIP-6上洗掉，实现吸附剂再生。

图2. (a) 全氟辛烷磺酸的吸附等温线(浓度范围为0~500 mg g ^-1 )。(b) ImIP -6与报道的吸附剂对全氟辛烷磺酸吸附能力的比较。本实验吸附剂用量为0.1 g L ^-1 。(c) 不同浓度的单一干扰离子对重铬酸盐和全氟辛烷磺酸去除效率的影响；(d) 不同浓度的多重干扰离子 ( Cl ^- 、NO ^3- 和SO ₄ ^2- ) 对重铬酸盐和全氟辛烷磺酸去除效率的影响。(e) 同步去除水溶液中全氟辛烷磺酸和重铬酸盐的可回收性能。(f) 具有分层吸附结构域的ImIP-6同时去除重铬酸盐和全氟辛烷磺酸的机制。

相关研究成果发表在 Chemical Engineering Journal 上，论文第一作者是河北工业大学化工学院博士生孔科，共同通讯作者为梁均博士和 王瑞虎 研究员。

该研究工作得到国家自然科学基金（22001178, 21975259）、河北省自然科学基金（B2021202077, B2022202039）、河北省科技计划（236Z4308G）的支持。

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【材料】河北工业大学王瑞虎课题组：仿生材料协同捕获水中重金属和全氟烷基化合物污染物

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