聚苯乙烯电纺纳米纤维对水中苯系物的吸附性能＊

孙 静 马玉琴 康学军

(东南大学公共卫生学院,东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室,南京,210096)

聚苯乙烯电纺纳米纤维对水中苯系物的吸附性能＊

孙 静 马玉琴 康学军＊＊

(东南大学公共卫生学院,东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室,南京,210096)

采用高效液相色谱法研究了静电纺聚苯乙烯纳米纤维对水中苯系物有机污染物的吸附性能,探究了纳米纤维对苯、对氯苯、硝基苯的吸附容量随浓度和时间的变化规律.通过实验得到静电纺纳米纤维对苯、对氯苯、硝基苯的平衡吸附容量平均值分别为 9.82,5.57和 4.4mg·g-1,静态吸附 4 h后基本达到平衡.实验结果表明,静电纺聚苯乙烯纳米纤维能够较好地吸附苯类物质,并能多次重复利用,对水中较低浓度的苯类物质吸附是一种比较合适的吸附材料.

纳米纤维,苯,吸附.

苯及其衍生物作为重要的化工原料会随着工业废水的排放进入环境而危害人类的健康,近年来其去除方法研究倍受关注[1].由于苯系物特殊的化学结构以及潜在的致癌性,许多种苯系物已被世界各国列入水中优先控制污染物名单,这些污染物主要包括多环芳烃、卤代烃、多氯联苯等.因此,发展安全、可靠、易操作的去除方法逐渐成为研究的热点.在各种技术中,吸附法是主要的特别适于水体中微污染芳香物的去除方法[1].

研究较多的是碳为基质的吸附材料,其中活性炭纤维表面积大,具有优异的结构和性能特征.纤维素纤维、酚醛树脂纤维、聚丙烯腈纤维和沥青纤维为前驱体的活性炭纤维已经大规模工业化生产,但各种纤维在制造过程中需要高温氧化处理,易产生许多不易控制的因素[2].静电纺纳米纤维是近来引起关注的制备纳米材料的新技术,采用静电纺制备高分子纳米纤维,比较容易改变纤维的组成和形貌,可以方便地根据目标物理化性质设计制成与之有高效吸附性的新材料.纳米纤维具有比表面积大、吸附快等优点,而且使用方便,容易再生[3].越来越多的研究者将高分子纳米纤维用于分离、萃取、测定等方面[4—6].

本文用静电纺丝法制备聚苯乙烯纳米纤维,并就其对苯、硝基苯、对氯苯的吸附性能进行了初步研究,为其广泛应用奠定基础.

1 实验部分

1.1 色谱条件

LC-20AD高效液相色谱仪,SPD-M20A紫外检测器 (岛津,日本);色谱柱:岛津 VP-ODS C18(150 mm×4.6 mm,5μm);为提高化合物的分离柱效及峰形,流动相中加入磷酸二氢钾,流动相:甲醇∶25mmol·l-1磷酸二氢钾 =65∶35,用磷酸调节 pH值 4.5,用 0.45μm微孔滤膜过滤,超声脱气;流速:1.0ml·min-1;波长:208nm;进样量:50μl;温度:20℃.

1.2 标准溶液的配制

苯、硝基苯、对氯苯甲醇标准储备液:分别精密称取苯、硝基苯、对氯苯适量,用甲醇溶解配制0.1mg·ml-1的溶液,贮藏于 4℃冰箱.

样品液:临用时精密量取各标准储备液加入水稀释成所需浓度(使溶液中甲醇比例≤5%,V/V).

1.3 聚苯乙烯纳米纤维的制备与表征

静电纺丝溶液的配制:取聚苯乙烯 (分子量 1.8×105)加入二甲基甲酰胺和四氢呋喃 (4∶6)的混合溶液,在室温下缓慢搅拌,配制 10%(W/V)聚苯乙烯溶液.

静电纺丝:取聚苯乙烯溶液迅速装入带不锈钢针 (直径 0.5mm)的注射器中,用导线连接不锈钢针与高压电源的正极,距不锈钢针 15cm处放置连接电源负极的收集屏.施加电压 20kV,送液速度为1ml·h-1,电纺出直径为微米和纳米的纤维,落于铜质收集屏上成网状物[7].纳米纤维电镜扫描图(Hitach S-3000N扫描电镜,日本日立公司)如图1所示.

图1 PS纳米纤维 SEM图Fig.1 The SEM image of nanofiber

1.4 实验方法

用 500μl的甲醇浸泡纳米纤维 1min,同时,为了避免残留的甲醇影响后续的吸附,再用 500μl的水浸泡纳米纤维 1min.20℃下分别取一定量的标准溶液至于锥形瓶中,并稀释成所需浓度.准确称取纳米纤维 10mg,将纳米纤维夹入网夹,放锥形瓶中并记时,不同时间点分别取 50μl进样.根据吸附前后溶液中物质浓度的变化,计算吸附容量[8].吸附容量的计算公式如下:

式中:Q为吸附量,mg·g-1;C0为标样中物质的浓度,mg·l-1;Ct为反应后物质的浓度,mg·l-1;V为反应液的体积,l;m为反应所用纳米纤维的质量,g.

2 结果与讨论

2.1 苯、对氯苯、硝基苯吸附等温曲线的测定

恒温条件下,取定量的标准溶液配置成一系列浓度的溶液,多次测定取平均值绘制吸附曲线,结果如图2所示.

图2 苯、对氯苯和硝基苯的吸附曲线Fig.2 The adsorption curves of benzene,chlorobenzene and nitrobenzene on PS nanofibers

由图2可知,PS纳米纤维对苯、对氯苯、硝基苯的吸附容量随质量浓度升高而增大,达到平衡时其饱和吸附容量分别为 9.82,5.57和 4.4mg·g-1.3种苯系物结构不同可能是导致吸附容量不同的原因,苯为非极性的物质,其与 PS纳米纤维发生疏水相互作用较强使其吸附量在 3种物质中最大,硝基苯由于硝基的强吸电子作用使其分子极性大于苯,所以吸附容量较小;对氯苯由于是对称结构分子,极性也较小,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间,由此看来,苯环上的取代基会影响 PS纳米纤维的吸附效率.

2.2 吸附动力学

恒温条件下,取定量的标准溶液配置成一系列浓度的溶液,多次测定取平均值绘制动力学曲线,结果如图3所示.

由图3可以看出苯系物吸附容量随时间的变化趋势,4 h后吸附基本达到平衡.考虑到本吸附实验是在完全静置的条件下进行的,说明纳米纤维对水中目标物吸附速度较快,较容易达到平衡.但因聚苯乙烯纳米纤维吸附能力的局限性,仅适用于适当浓度物质的吸附,不适合高浓度苯类物质的吸附.

图3 苯、硝基苯和对氯苯的吸附动力学曲线Fig.3 The adsorption dynamic curves of benzene,nitrobenzene and chlorobenzene on PS nanofibers

2.3 吸附参数的拟合

有机物在吸附剂上的吸附等温线可以用平衡模型Langmuir和 Freundlich方程来拟合.本文对 3种物质的吸附分别进行了拟合,但 3种物质的吸附仅符合 Freundlich方程.其结果为:

苯:y=1.0055x-0.6097,R2=0.9539,n=0.995;

对氯苯: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为有机物在吸附剂上平衡吸附量的对数值;x为平衡时有机物在溶液中浓度的对数值.

3 结论

静电纺聚苯乙烯纳米纤维对苯、硝基苯、对氯苯有较强的吸附.吸附行为因吸附物质分子结构的不同存在一定的差别,本文所用纤维为聚苯乙烯纳米纤维,为非极性的物质,其对苯的吸附容量最大说明吸附作用是基于疏水相互作用为主.吸附过程符合 Freundlich方程,4 h后吸附基本达到平衡,平衡时苯、对氯苯、硝基苯吸附容量分别为 9.82,5.57和 4.4mg·g-1,且实验是在完全静置的条件下进行,若采取搅拌等措施,会更快达到吸附平衡,聚苯乙烯纳米纤维是一种快速高效的吸附材料.

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[2] 刘继凤,浅谈饮用水微量有机污染物处理技术 [J].环境科学与管理,2007,32(4)∶99—101

[3] 崔振峰,屈学俭,PAN基活性炭纳米纤维的制备及其对金的吸附研究 [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] 戚东进,康学军,张逸钧等,采用纳米纤维富集与测定水样中的环境雌激素 [J].中国科技论文线,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,王军,氨基硫脲纤维对 Pb2+,Ni2+,Co2+的吸附性能的研究 [J].生物质化学工程,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.

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