静电纺丝法制备胺基纳米纤维材料及其水处理应用研究

发布时间：2019-01-28 12:38

【摘要】：静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝方法。静电纺丝法适用于多种聚合物,利用该方法制备的超细纤维具有非常高的比表面积,且在纤维组成的网络之间具有大量的微孔结构。这些结构特点使得静电纺丝材料非常适用于一些物理化学过程,如催化、吸附和过滤等。胺基聚合物具有亲水、高阳离子电荷密度、胺基可被亲核取代或与金属离子配位等特点,非常适用于去除水中污染物实现净水的目的。本论文将静电纺丝法和胺基聚合物的特点结合起来,以胺基聚合物为原料,利用静电纺丝技术制备胺基纳米纤维材料并应用于水处理。具体研究内容如下:静电纺丝法制备胺基纳米吸附材料。选取支化聚乙烯亚胺(b-PEI)为原料,将其经甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)改性为不溶于水的甲基丙烯酸酯化聚乙烯亚胺(m-PEI),然后与聚偏氟乙烯(PVDF)混溶,通过静电纺丝法制备成m-PEI/PVDF复合纳米纤维毡。通过微波消解、红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)等表征手段证明了m-PEI制备成功,并成为非水溶性高分子;通过X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)等方法证明了m-PEI/PVDF复合纤维毡为具有大量孔隙的纳米纤维毡、且经过水浸泡之后PEI成分迁移至表面。将m-PEI/PVDF复合纳米纤维毡应用于对阴离子染料甲基橙(MO)的吸附研究,考察了pH值、起始浓度、温度等因素对吸附效果的影响,计算了吸附动力学参数、活化能和等温模型参数,并对材料的再生性能进行了研究。结果表明:当起始MO浓度为1 g L~（-1）时,m-PEI/PVDF复合纳米纤维毡的最大吸附容量达633 mg g~（-1）,比大多数文献报道的吸附容量要高;m-PEI/PVDF复合纳米纤维毡对MO的吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型;吸附受到膜扩散过程和粒内扩散过程的影响,符合单层均匀的物理吸附模型。将吸附后的m-PEI/PVDF复合纳米纤维毡浸泡于0.1M NaOH溶液中进行脱附实验研究,发现分级脱附可提高脱附效率,最佳脱附方式为两步脱附,总脱附效率为86.7%;m-PEI/PVDF纳米纤维毡经循环吸附10次后仍可维持90%以上的MO移除率,显示其再生性能良好。将m-PEI/PVDF复合纳米纤维毡应用于对重金属阴离子铬酸根和砷酸根的吸附研究,考察了pH值、起始浓度、共存离子等因素对吸附效果的影响,计算了吸附动力学模型和等温线模型参数,并对超低起始浓度(亚ppm级)Cr(VI)和As(V)的吸附效果进行了研究。结果表明:m-PEI/PVDF复合纳米纤维毡对Cr(VI)和As(V)的具有优异的吸附性能,当Cr(VI)和As(V)的起始浓度分别为200mg L~（-1）和400 mg L~（-1）时,其对Cr(VI)和As(V)的最大吸附容量分别可达109.1 mg g~（-1）和230.7 mg g~（-1）;吸附最佳pH值均为3;对Cr(VI)的吸附行为符合准一级动力学模型,而对As(V)的吸附行为符合准二级动力学模型;对Cr(VI)和As(V)的吸附行为都更加符合Langmuir吸附等温模型。共存离子Ca~（2+）和SO_4~（2-）的竞争吸附会导致纤维毡对Cr(VI)和As(V)的吸附容量下降,而且会使其对两种离子的吸附速率变低。在超低起始浓度(亚ppm级)时,m-PEI/PVDF复合纳米纤维毡仍可以去除85%的铬酸根离子和98%的砷酸根离子。将聚丙烯腈(PAN)通过胺化反应引入乙二胺(EDA)基团和将PVDF通过预辐射接枝引入聚丙烯酸(PAAc)支链,然后将两种改性高分子通过双喷头共纺的方法制备了APAN/PVDF-g-PAAc复合纳米纤维毡并用于油水分离的研究。核磁共振氢谱(1H NMR)、XPS、FT-IR等表征手段证明对PAN改性成功获得了APAN。SEM观察表明APAN/PVDF-g-PAAc复合纤维毡具有大量孔隙和纳米尺寸纤维,接触角(CA)测试表明APAN/PVDF-g-PAAc复合纳米纤维毡比未接枝改性的APAN/PVDF复合纳米纤维毡具有更好的亲水性。油水分离实验表明APAN/PVDF-g-PAAc复合纳米纤维毡的分离性能明显高于PAN/PVDF复合纳米纤维毡,其对油水混合液和水包油(O/W)乳液均有较高的分离效率。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ340.64;TQ085.4

【参考文献】