静电纺丝法制备的纳米纤维在环境污染治理中的应用研究进展*

陈晓青 谭 晶 李好义 丁玉梅 杨卫民 何雪涛

(北京化工大学机电工程学院，北京 100029)

静电纺丝法制备的纳米纤维在环境污染治理中的应用研究进展*

陈晓青 谭 晶 李好义#丁玉梅 杨卫民 何雪涛

(北京化工大学机电工程学院，北京 100029)

静电纺丝法可实现多种材料一维纳米结构的构筑，对纳米纤维的粗糙结构、直径、比表面积、堆积密度和连通性精准可控，在环境领域具有广阔的应用前景。系统介绍了静电纺丝法制备的纳米纤维在过滤、催化氧化、吸附、固定酶及物理性污染等领域的应用，并指出了目前研究存在的问题和今后研究的方向，旨在为进一步扩宽纳米纤维在环境污染治理领域中的应用。

静电纺丝法 纳米纤维 环境污染治理 应用

Abstract: Electrospinning method can build up one-dimension nano-structure,especially for achieving precise control of nanofibers in the rough nanostructure,fiber diameter,specific surface area,bulk density and connectivity,which has a spacious application foreground in the field of environment. This paper introduced the progress of nanofiber applications in filtration,catalytic oxidation,adsorption,enzyme immobilization and physical pollution. The problems and the prospects of research were also discussed,aiming to expand the nanofiber applications in the field of environmental pollution control.

Keywords: electrospinning method; nanofiber; environmental pollution control; application

随着工业化的发展，大量的污染物排放到环境中，不仅造成生态环境的破坏，而且严重的威胁着人类健康。环境污染治理越来越引起人们的关注。近年来，各种新型材料，如石墨烯/TiO2复合物[1]、醋酸改性纳米黑碳[2]、多孔碳[3]等被广泛应用于环境污染治理。纳米纤维是一种新型纳米材料，不仅比表面积和孔隙率大，而且机械稳定性好，越来越受到人们的关注[4]。目前，制备纳米纤维的方法主要有水热合成法[5]、模板合成法[6]、原位聚合法[7]、自组装法[8]、分相法[9]、静电纺丝法[10]等。其中，静电纺丝法是一种制备纳米材料的高效新颖的方法，装置简单，操作简便，运行成本低。丁彬等[11]492-502曾系统介绍了静电纺丝法制备纳米纤维的发展历程，并对纳米纤维在过滤和吸附、环境监测等方面的应用进展进行了总结。李雄等[12]对纳米纤维微孔滤膜和纳米纤维基复合滤膜用于污水净化和脱盐进行了综述，为膜分离技术的发展提供了新的思路。近年来，静电纺丝法制备的纳米纤维材料和纳米纤维基复合材料在催化氧化、吸收声波和电磁波等方面有了许多新的应用进展。本研究根据国内外最新研究进展，简述了静电纺丝法制备纳米纤维的方法和特性，综述了其在环境污染治理中的应用研究进展，包括在过滤、催化氧化、吸附、固定酶及物理性污染等方面。

1 静电纺丝法

静电纺丝法是一种制造特殊纳米纤维的先进技术，因其装置简单、成本低廉、工艺可控等优点已成为纳米纤维制备的主要途径之一。静电纺丝法装置主要由高压电源、喷头及高压液体供给装置、纤维接收装置3部分组成。高压电源产生高压电场，使聚合物或溶体带电并发生形变，在喷头末端形成悬垂的锥状液滴，形成射流。这些射流在一个较短的距离内经过电场力的高速拉伸、溶剂挥发与固化，最终沉积于纤维接收装置形成纳米纤维[13]。通常，其他方法制备的纳米纤维直径范围很难达到小于100 nm的水平，而静电纺丝法制备的纳米纤维不仅尺寸微小、比表面积大，而且机械稳定性好、纤维膜孔径小、孔隙率大、连续性好，因此在环境污染治理领域的应用也广[11]493。

表1 过滤领域的应用

2 静电纺丝法制备的纳米纤维在环境污染治理中的应用

2.1 过滤领域

前已述及，静电纺丝法制备的纳米纤维具有大的比表面积，因此是一种理想的过滤材料[14]。这种纳米纤维已广泛应用于污水过滤、空气净化和生物过滤等方面，其过滤原理一般认为是拦截效应、惯性效应、扩散效应、重力效应及静电效应共同作用[15]238。表1总结了近年来静电纺丝法制备的纳米纤维在过滤领域中的应用。但是这种纳米材料的过滤效果受温度影响很大，特别是直径小于1 μm时。针对这个问题，王成等[27]采用高压静电纺丝法制备了直径为100～500 nm的芳纶纳米纤维毡，并与聚苯硫醚(PPS)复合，得到的纳米纤维具有良好的耐高温性能，对直径为0.1～0.6 μm的粒子截留率仍可达99.9%。

2.2 催化氧化领域

静电纺丝法制备的纳米纤维具有较小的纤维直径、较好的柔韧性和易操作性，是一种理想的催化剂载体。此外，它还能与催化剂产生较强的协同效应，强化催化效果。简绍菊等[28]采用静电纺丝法制备Ag/ZnO复合纳米纤维，其对亚甲基蓝具有很高的光催化活性，亚甲基蓝降解率可达到95%以上。陈仁忠等[29]发现，MnO2/PAN纳米纤维膜可高效降解废水中的甲醛，反应12 h，甲醛去除率可达44%。此外，一些掺杂金属的纳米纤维对重金属的还原转化和去除也具有良好的效果[30]。

在大气污染治理方面，也有一些学者开发出了具有高催化活性的纳米纤维复合材料，包括含铂多孔TiO2纳米纤维，CeO2/TiO2复合纳米纤维等，这些催化剂在室内甲醛降解和发动机尾气治理方面具有很好的效果[31-32]。可见，以纳米纤维为载体制备的催化剂在环境催化领域具有很好的应用前景。

2.3 吸附领域

静电纺丝法制备的纳米纤维也是一种理想的吸附材料，对油脂、重金属、有机染料等污染物具有良好的吸附性能。碳硅纳米纤维海绵[33]、聚丙烯纤维棉[34]和聚甲醛(POM)纳米纤维[35]等吸油材料的开发，为油类回收与海洋溢油紧急处理提供了一种新途径。SHAHRAM等[36]开发的尼龙66纳米纤维膜对Ag和Cr的最大吸附量可高达1 946.91、650.41 mg/g。张慧敏等[37]开发的CTS/聚乙烯醇(PVA)纳米纤维膜对溶液中Cu2+、Ni2+和Cd2+的最大吸附量分别为98.65、116.89、124.23 mg/g，且适用范围广泛。LI等[38]研究发现，TiO2/多孔碳纳米纤维对刚果红、亚甲基蓝、甲基橙和伊红染料废水的染料具有高效吸附能力，且在高浓度条件下仍能高效吸附。MA等[39]以静电纺丝法制备的聚乙烯亚胺和PVDF纳米纤维共混物对甲基橙进行吸附，最大吸附量可高达633.3 mg/g，且经碱性溶液浸泡即可实现再生，具有很好的工程经济性。

2.4 固定酶领域

酶是一种具有高度特异性的催化剂，可高效催化降解多种有机污染物，但其对环境敏感、易失活，一般应用前需先将酶固定到载体上以提高其稳定性。相比其它载体，静电纺丝法制备的纳米纤维具有更大的比表面积和孔隙率，可有效地缓解基体的扩散阻力，不会影响酶的催化能力[15]294。LI等[40]采用静电纺丝法制备的复合纳米纤维能够固定过氧化氢酶处理硝基酚(PNP)，35 d后酶活性仍可保持80%，重复使用5次，酶活性仍可保持70%。一些研究发现，纳米纤维与金属配合可进一步提高酶活性和稳定性。崔静等[41]用Co2+配合纳米纤维作为载体固定漆酶降解对苯二酚，在50 ℃、pH=4的条件下，漆酶活性保持100%，重复使用3次，对苯二酚的降解率仍能保持52.12%、47.94%、47.49%。代云容等[42]采用乳液静电纺丝法制备的纳米纤维原位固定漆酶，漆酶被成功包埋于纤维内部，能保留79.8%的酶活性，对双酚A的降解率为80%左右，与游离漆酶相比，固定化后对pH和温度具有更好的耐受性。

2.5 物理性污染领域

通过静电纺丝法工艺的优化和溶液性质的调控，可实现对纳米纤维结构的构筑及微观控制，使纳米纤维具有某些特定的功能。近年来，静电纺丝法制备的纳米纤维应用于物理性污染领域的研究也有报道。在减声降噪方面，贾巍等[43]发现，在聚氨酯(PU)纳米纤维膜中添加非织造材料可提高其最大吸声系数，使共振频率向低频方向移动。WU等[44]通过在PVDF纳米纤维膜中添加石墨烯，提高了纳米纤维的声波接触频率，进而提高了声音在中频区域通过摩擦和内部纤维振动的能量吸收，达到了降噪的效果。在电磁辐射污染控制方面，WANG等[45]通过同轴静电纺丝法合成了一种密度低、微波吸收性能高的锶铁氧体纳米纤维，当吸收涂层厚度为3.4 mm，电磁频率为11.68 GHz时，该纳米纤维对电磁辐射的反射损失可达12.69 dB。WANG等[46]研发的铁碳纳米纤维/石蜡复合材料在4.2 GHz时，最低反射损失为44 dB，且受电磁波频率影响较小，从2.2 GHz变化到13.2 GHz，反射损失峰值变化较小，表明该复合材料可作为一种理想的轻量级电磁辐射吸收材料。

3 展 望

静电纺丝法在构筑一维纳米材料领域发挥着非常重要的作用，应用静电纺丝法已经成功开发出结构多样的纳米纤维材料，越来越多的纳米纤维材料被用于环境污染治理，并取得了显著的成效，但是当前纳米纤维的研究水平与实际应用仍存在一些问题，还需要进一步开展更为深入的研究。

(1) 静电纺丝法制备纳米纤维效率低下，严重限制了其工业化应用，如何实现批量化生产将是未来研究的重点和难点。

(2) 由于环境污染的特殊性和复杂性，已开发的纳米纤维对不同的污染针对性不强，如在吸附油脂方面，现已开发的纳米纤维材料对乳化体系油水分离效果并不理想，还需进一步研究。化学接枝、等离子处理等表面改性方法强化纳米纤维的专一性将是未来研究的一个重要方向。

(3) 制备原料对纳米纤维的结构和性能起着决定性作用，制备原料的筛选一直是静电纺丝法制备纳米纤维的研究重点。寻找绿色、无毒且性能优异的原料将是未来研究的另一重要方向。

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Reseachprogressofnanofibersmadebyelectrospinningmethodforenvironmentalpollutioncontrolapplications

CHENXiaoqing,TANJing,LIHaoyi,DINGYumei,YANGWeimin,HEXuetao.

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.021

2016-11-12)

陈晓青，女，1993年生，硕士研究生，研究方向为动力工程及工程热物理。#

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*国家自然科学基金资助项目(No.51603009)；北京市自然科学基金资助项目(No.2141002)。