静电纺纳米纤维膜用于重金属离子吸附的研究进展.doc

静电纺纳米纤维膜用于重金属离子吸附的研究进展 摘 要 静电纺丝制备的纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙率，在重金属离子吸附领域有着广泛的应用前景。本文在简要阐述纳米纤维膜吸附重金属离子机理的基础上，主要从有机纳米纤维膜、有机-无机复合纳米纤维膜、及无机纳米纤维膜等3个方面，介绍了近年来静电纺纳米纤维膜对重金属离子的吸附性能及其相关的研究进展，并针对目前纳米纤维膜吸附重金属离子应用研究中存在的一些问题给出了建议，为纳米纤维膜吸附重金属离子的后续研究提供参考。 关键词 静电纺；纳米纤维；吸附；重金属离子 0 引言随着工业化进程的不断加快，由金属冶炼及化工生产废水排放等人为因素造成的重金属离子污染水源问题日益严峻，严重威胁到人类的健康[1,2]。为此，相关科研人员对重金属离子的污染问题进行了深入的研究，采取了多种措施对受污染的水体进行处理和修复。目前，已报道的去除水体中重金属离子的方法有：反渗透[3]、离子交换[4]、电化学沉降[5]、氧化还原[6]、生物处理及吸附技术[7]。其中，吸附技术因易操作、高效、可重复利用、成本低而备受关注[8,9]。而比表面积大的多孔材料对重金属离子具有良好的吸附效果[2]，通过静电纺丝制备的纳米纤维膜恰好具有高比表面积、高孔隙率以及内部连通的开孔结构等突出优势，从而使其在重金属离子的吸附分离方面表现出较好的吸附性能和循环利用性。 1　纳米纤维膜吸附重金属离子机理 同大多数吸附材料的原理相同，纳米纤维膜对重金属离子的吸附也是一种传质过程，重金属离子通过物理作用或化学反应从液相转移到纤维膜上[10]。如图1所示[11]，纳米纤维膜对水溶液中重金属离子的吸附主要为物理吸附和化学吸附：其中物理吸附主要是通过静电相互作用（带正电荷的重金属离子与带负电基团之间的静电相互作用，约2～4个负性基团结合一个重金属离子），将重金属离子吸附到纤维表面。而化学吸附则是纤维表面的功能基团对重金属离子的螯合吸附作用（由纤维膜上的功能基团提供孤对电子与重金属离子形成配位共价键）。由于纳米纤维膜具有较高的比表面积，从而使纤维表面暴露出更多的功能基团，明显增加了纤维表面对重金属离子的吸附位数量，显著提高了纤维材料对重金属离子的吸附分离性能。 图 1 纳米纤维吸附重金属离子原理示意图 Fig.1 The mechanism of nanofiber mats for heavy metal ion adsorption 2　纳米纤维膜吸附重金属研究进展 由于静电纺纳米纤维膜在重金属离子吸附方面展现出的优异性能，近年来，相关的科研人员进行了大量制备和改性的研究工作，本文分别从有机纳米纤维、有机-无机复合纳米纤维、无机纳米纤维等方面进行简要阐述。 2.1　有机纳米纤维 2.1.1　天然高分子纳米纤维 许多天然高分子材料具有来源广泛、价格低廉、生物相容性好、易生物降解等优点，被广泛应用于各种重金属离子吸附剂的原料（如壳聚糖、丝素蛋白、纤维素等）[12]。通过静电纺丝技术将其制备成纳米纤维膜并进行一定程度改性，可进一步提高其对重金属离子的吸附分离性能。 为充分利用纳米纤维膜高比表面积的特性，Haider等[13]利用K2CO3溶液对静电纺丝法制备的壳聚糖纳米纤维膜进行处理，把壳聚糖分子链上的部分氨基(-NH3+)转化为了胺基（-NH2），增加了纳米纤维膜上功能基团的数量，明显提高了壳聚糖对水溶液中重金属离子的吸附能力，同时壳聚糖在水溶液中的稳定性也得到了改善，处理后的纤维膜对Cu2+、Pb2+的平衡吸附量分别达到了485.44mg/g和263.15mg/g，特别是对于Cu2+的吸附量是壳聚糖微孔膜（80.71mg/g）的6倍，是壳聚糖微球颗粒（45.20mg/g）的11倍。随后，Horzum等[14]通过静电纺较低浓度的壳聚糖溶液，进一步降低了壳聚糖纤维的直径（平均直径42nm)，对Fe3+、Cu2+、Ag+、Cd2+单独吸附数据表明，在重金属离子浓度较低的情况下，纤维膜仍具有较高的吸附性能。虽然上述研究人员成功的制备了壳聚糖纳米纤维并初步研究了其对于重金属离子的吸附性能， 但单组份的壳聚糖纳米纤维膜仍存在难以制备、在水溶液中的稳定性较差等缺点，针对这个问题研究人员对其进行了混纺处理，Desai等[15]通过静电纺壳聚糖与聚氧化乙烯混合溶液，制备了PEO/CS复合纳米纤维膜，对水溶液中Cr6+的吸附研究表明，PEO的掺杂明显提高了壳聚糖纤维膜在水溶液中的稳定性和可纺性，当PEO的含量在10%时，复合膜对Cr6+吸附效果最好，饱和吸附性能达到了35mg/g。最近，Aliabadi等[16]则进一步研究了PEO/CS复合纳米纤维膜对水溶液中Ni2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+的选择吸附性，在四种金属离子共