聚苯乙烯電紡納米纖維對(duì)水中苯系物的吸附性能＊

孫 靜 馬玉琴 康學(xué)軍

(東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,210096)

聚苯乙烯電紡納米纖維對(duì)水中苯系物的吸附性能＊

孫 靜 馬玉琴 康學(xué)軍＊＊

(東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,210096)

采用高效液相色譜法研究了靜電紡聚苯乙烯納米纖維對(duì)水中苯系物有機(jī)污染物的吸附性能,探究了納米纖維對(duì)苯、對(duì)氯苯、硝基苯的吸附容量隨濃度和時(shí)間的變化規(guī)律.通過實(shí)驗(yàn)得到靜電紡納米纖維對(duì)苯、對(duì)氯苯、硝基苯的平衡吸附容量平均值分別為 9.82,5.57和 4.4mg·g-1,靜態(tài)吸附 4 h后基本達(dá)到平衡.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,靜電紡聚苯乙烯納米纖維能夠較好地吸附苯類物質(zhì),并能多次重復(fù)利用,對(duì)水中較低濃度的苯類物質(zhì)吸附是一種比較合適的吸附材料.

納米纖維,苯,吸附.

苯及其衍生物作為重要的化工原料會(huì)隨著工業(yè)廢水的排放進(jìn)入環(huán)境而危害人類的健康,近年來其去除方法研究倍受關(guān)注[1].由于苯系物特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及潛在的致癌性,許多種苯系物已被世界各國(guó)列入水中優(yōu)先控制污染物名單,這些污染物主要包括多環(huán)芳烴、鹵代烴、多氯聯(lián)苯等.因此,發(fā)展安全、可靠、易操作的去除方法逐漸成為研究的熱點(diǎn).在各種技術(shù)中,吸附法是主要的特別適于水體中微污染芳香物的去除方法[1].

研究較多的是碳為基質(zhì)的吸附材料,其中活性炭纖維表面積大,具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能特征.纖維素纖維、酚醛樹脂纖維、聚丙烯腈纖維和瀝青纖維為前驅(qū)體的活性炭纖維已經(jīng)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),但各種纖維在制造過程中需要高溫氧化處理,易產(chǎn)生許多不易控制的因素[2].靜電紡納米纖維是近來引起關(guān)注的制備納米材料的新技術(shù),采用靜電紡制備高分子納米纖維,比較容易改變纖維的組成和形貌,可以方便地根據(jù)目標(biāo)物理化性質(zhì)設(shè)計(jì)制成與之有高效吸附性的新材料.納米纖維具有比表面積大、吸附快等優(yōu)點(diǎn),而且使用方便,容易再生[3].越來越多的研究者將高分子納米纖維用于分離、萃取、測(cè)定等方面[4—6].

本文用靜電紡絲法制備聚苯乙烯納米纖維,并就其對(duì)苯、硝基苯、對(duì)氯苯的吸附性能進(jìn)行了初步研究,為其廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 色譜條件

LC-20AD高效液相色譜儀,SPD-M20A紫外檢測(cè)器 (島津,日本);色譜柱:島津 VP-ODS C18(150 mm×4.6 mm,5μm);為提高化合物的分離柱效及峰形,流動(dòng)相中加入磷酸二氫鉀,流動(dòng)相:甲醇∶25mmol·l-1磷酸二氫鉀 =65∶35,用磷酸調(diào)節(jié) pH值 4.5,用 0.45μm微孔濾膜過濾,超聲脫氣;流速:1.0ml·min-1;波長(zhǎng):208nm;進(jìn)樣量:50μl;溫度:20℃.

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

苯、硝基苯、對(duì)氯苯甲醇標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液:分別精密稱取苯、硝基苯、對(duì)氯苯適量,用甲醇溶解配制0.1mg·ml-1的溶液,貯藏于 4℃冰箱.

樣品液:臨用時(shí)精密量取各標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液加入水稀釋成所需濃度(使溶液中甲醇比例≤5%,V/V).

1.3 聚苯乙烯納米纖維的制備與表征

靜電紡絲溶液的配制:取聚苯乙烯 (分子量 1.8×105)加入二甲基甲酰胺和四氫呋喃 (4∶6)的混合溶液,在室溫下緩慢攪拌,配制 10%(W/V)聚苯乙烯溶液.

靜電紡絲:取聚苯乙烯溶液迅速裝入帶不銹鋼針 (直徑 0.5mm)的注射器中,用導(dǎo)線連接不銹鋼針與高壓電源的正極,距不銹鋼針 15cm處放置連接電源負(fù)極的收集屏.施加電壓 20kV,送液速度為1ml·h-1,電紡出直徑為微米和納米的纖維,落于銅質(zhì)收集屏上成網(wǎng)狀物[7].納米纖維電鏡掃描圖(Hitach S-3000N掃描電鏡,日本日立公司)如圖1所示.

圖1 PS納米纖維 SEM圖Fig.1 The SEM image of nanofiber

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

用 500μl的甲醇浸泡納米纖維 1min,同時(shí),為了避免殘留的甲醇影響后續(xù)的吸附,再用 500μl的水浸泡納米纖維 1min.20℃下分別取一定量的標(biāo)準(zhǔn)溶液至于錐形瓶中,并稀釋成所需濃度.準(zhǔn)確稱取納米纖維 10mg,將納米纖維夾入網(wǎng)夾,放錐形瓶中并記時(shí),不同時(shí)間點(diǎn)分別取 50μl進(jìn)樣.根據(jù)吸附前后溶液中物質(zhì)濃度的變化,計(jì)算吸附容量[8].吸附容量的計(jì)算公式如下:

式中:Q為吸附量,mg·g-1;C0為標(biāo)樣中物質(zhì)的濃度,mg·l-1;Ct為反應(yīng)后物質(zhì)的濃度,mg·l-1;V為反應(yīng)液的體積,l;m為反應(yīng)所用納米纖維的質(zhì)量,g.

2 結(jié)果與討論

2.1 苯、對(duì)氯苯、硝基苯吸附等溫曲線的測(cè)定

恒溫條件下,取定量的標(biāo)準(zhǔn)溶液配置成一系列濃度的溶液,多次測(cè)定取平均值繪制吸附曲線,結(jié)果如圖2所示.

圖2 苯、對(duì)氯苯和硝基苯的吸附曲線Fig.2 The adsorption curves of benzene,chlorobenzene and nitrobenzene on PS nanofibers

由圖2可知,PS納米纖維對(duì)苯、對(duì)氯苯、硝基苯的吸附容量隨質(zhì)量濃度升高而增大,達(dá)到平衡時(shí)其飽和吸附容量分別為 9.82,5.57和 4.4mg·g-1.3種苯系物結(jié)構(gòu)不同可能是導(dǎo)致吸附容量不同的原因,苯為非極性的物質(zhì),其與 PS納米纖維發(fā)生疏水相互作用較強(qiáng)使其吸附量在 3種物質(zhì)中最大,硝基苯由于硝基的強(qiáng)吸電子作用使其分子極性大于苯,所以吸附容量較小;對(duì)氯苯由于是對(duì)稱結(jié)構(gòu)分子,極性也較小,但是可能是由于氯原子的存在使吸附容量介于苯和硝基苯之間,由此看來,苯環(huán)上的取代基會(huì)影響 PS納米纖維的吸附效率.

2.2 吸附動(dòng)力學(xué)

恒溫條件下,取定量的標(biāo)準(zhǔn)溶液配置成一系列濃度的溶液,多次測(cè)定取平均值繪制動(dòng)力學(xué)曲線,結(jié)果如圖3所示.

由圖3可以看出苯系物吸附容量隨時(shí)間的變化趨勢(shì),4 h后吸附基本達(dá)到平衡.考慮到本吸附實(shí)驗(yàn)是在完全靜置的條件下進(jìn)行的,說明納米纖維對(duì)水中目標(biāo)物吸附速度較快,較容易達(dá)到平衡.但因聚苯乙烯納米纖維吸附能力的局限性,僅適用于適當(dāng)濃度物質(zhì)的吸附,不適合高濃度苯類物質(zhì)的吸附.

圖3 苯、硝基苯和對(duì)氯苯的吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.3 The adsorption dynamic curves of benzene,nitrobenzene and chlorobenzene on PS nanofibers

2.3 吸附參數(shù)的擬合

有機(jī)物在吸附劑上的吸附等溫線可以用平衡模型Langmuir和 Freundlich方程來擬合.本文對(duì) 3種物質(zhì)的吸附分別進(jìn)行了擬合,但 3種物質(zhì)的吸附僅符合 Freundlich方程.其結(jié)果為:

苯:y=1.0055x-0.6097,R2=0.9539,n=0.995;

對(duì)氯苯:y=0.8676x-0.1314,R2=0.9862,n=1.15;

硝基苯:y=0.7045x-0.5046,R2=0.974,n=1.42.

式中,y為有機(jī)物在吸附劑上平衡吸附量的對(duì)數(shù)值;x為平衡時(shí)有機(jī)物在溶液中濃度的對(duì)數(shù)值.

3 結(jié)論

靜電紡聚苯乙烯納米纖維對(duì)苯、硝基苯、對(duì)氯苯有較強(qiáng)的吸附.吸附行為因吸附物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的不同存在一定的差別,本文所用纖維為聚苯乙烯納米纖維,為非極性的物質(zhì),其對(duì)苯的吸附容量最大說明吸附作用是基于疏水相互作用為主.吸附過程符合 Freundlich方程,4 h后吸附基本達(dá)到平衡,平衡時(shí)苯、對(duì)氯苯、硝基苯吸附容量分別為 9.82,5.57和 4.4mg·g-1,且實(shí)驗(yàn)是在完全靜置的條件下進(jìn)行,若采取攪拌等措施,會(huì)更快達(dá)到吸附平衡,聚苯乙烯納米纖維是一種快速高效的吸附材料.

[1] Li B Z,Lei Z P,Huang Z H,Surface-Treated Activated Carbon for Removal of Aromatic Compounds from Water.Chem.Eng.Technol.,2009,32∶763—770

[2] 劉繼鳳,淺談飲用水微量有機(jī)污染物處理技術(shù) [J].環(huán)境科學(xué)與管理,2007,32(4)∶99—101

[3] 崔振峰,屈學(xué)儉,PAN基活性炭納米纖維的制備及其對(duì)金的吸附研究 [J].化工新型材料,2008,36(12)∶71—72

[4] Yoshimatsu K,Ye L,Lindberg J et al.,Selective Molecular Adsorption Using Electrospun Nanofiber Affinity Membranes.B iosens.B ioelectron,2008,23∶1208—1215

[5] 戚東進(jìn),康學(xué)軍,張逸鈞等,采用納米纖維富集與測(cè)定水樣中的環(huán)境雌激素 [J].中國(guó)科技論文線,2008,3(4)∶283—287

[6] QiD J,Kang X J,Chen L Q et al.,Electrospun PolymerNanofibers as a Solid-Phase Extraction Sorbent for the Determination of Trace Pollutants in EnvironmentalWater[J].Anal.B ioanal.Chem.,2008,390∶929—938

[7] Chen S Z,Zhan X L,LuD B et al.,Studyon Adsorption BehaviorofMn(Ⅱ)andMn(Ⅶ)onModified CarbonNanofibers and Their Deter mination by Inductively Coupled Plas maMass Spectrometry[J].Atom ic Spectroscopy,2008,29(2) ∶45—50

[8] 王虹,王軍,氨基硫脲纖維對(duì) Pb2+,Ni2+,Co2+的吸附性能的研究 [J].生物質(zhì)化學(xué)工程,2006,40(4)∶35—37

ADSORPTI ON CHARACTERISTICS OF BENZENES ON ELECTROSPUN POLYM ER NANOFIBERS

SUN Jing MA Yu-qin KANG Xue-jun
(School of Public Health,KeyLaboratory of Child Development and Learning Science,Ministry of Education,SoutheastUniversity,Nanjing,210096,China)

The adsorption behavior of s imple aromatic compounds(benzene,chlorobenzene and nitrobenzene)in water on electrospun polystyrene nanofiberswere investigated.The adsorption capacity of benzene,chlorobenzene,and nitrobenzene were 9.82,5.57 and 4.4 mg·g-1,respectively.The static adsorption equilibrium is accomplished within 4 h.The adsorption data of three compounds on the polystyrene nanofiber fit well with Freundlich isother m.The experiment showed that the electrospun polymer nanofiber can be used to adsorb the aromatic compounds in water,and could be reused.It has the potential to be used as adsorption material for aromatic pollutants in water.

electrospun nanofiber,benzene,adsorption.

2009年5月9日收稿.

＊江蘇省高新技術(shù) (BG2007044).＊＊通訊聯(lián)系人,Tel:025-83795664-1013,E-mail:xjkang64@163.com