华南理工大学祁海松教授课题组、北京防化院康健教授 Chem. Eng. J. ：用于水中高效吸附微/纳米塑料的综纤维素基材料

2023-05-03 来源：高分子科技

塑料由于其低成本，易加工以及稳定性高的特点广泛应用于农业、工业等生产领域。但随着塑料的大量使用，越来越多的微/纳米塑料颗粒从大块的塑料中分离出来。由于其小尺寸的特点，微纳塑料可以进入生物细胞内并呈现生物蓄积和一定的毒性，是一种危险的新兴污染物。因此，从淡水和海洋系统中去除微/纳米塑料是目前研究的热点方向之一。

日前，华南理工大学轻工科学与工程学院祁海松教授课题组和北京防化院康健教授通过纤维表面改性制备了一种用于水中高效吸附微/纳米塑料粒子的接枝有聚乙烯亚胺的综纤维素（HAA-PEI）功能纤维（图1）。该方法制备的HAA-PEI功能纤维可以实现对水中不同尺寸的聚苯乙烯微/纳颗粒（PS-MNPs）的高效吸附，最大吸附率可达99%。同时， HAA-PEI纤维上吸附的PS-MNPs可以通过碱处理快速去除，也可直接用于造纸循环利用。因此，HAA-PEI功能纤维作为理想的吸附材料，其高吸附效率，易制备和易解吸附的特点能在未来广泛应用于各个领域。

图1. HAA-PEI纤维的制备和反应机理示意图

水中不同尺寸PS-MNPs的快速吸附

微粒的尺寸大小是HAA-PEI纤维吸附过程中一个重要影响因素之一。该工作通过控制不同尺寸大小的PS-MNPs（100 nm、500 nm 和1 μm）与不同量的HAA-PEI纤维混合，通过对比吸附前后发光PS-MNPs的吸收强度来表明HAA-PEI纤维的吸附过程（图2）。结果表明，PS-MNPs的吸收强度随其被吸附的过程而急剧降低，并随着HAA-PEI纤维含量的升高而逐渐降低，这也说明HAA-PEI纤维的增加有利于增加HAA-PEI纤维表面的反应位点。同时，无关PS-MNPs的尺寸大小，材料的吸附作用都是通过带正电的HAA-PEI纤维和带负电的PS-MNPs之间的静电作用而产生的。

图2. 不同尺寸的PS-MNP在100 nm（a）、500 nm（b）、1 μm（c）和混合样品（d）处的形态。吸附不同尺寸的PS-MNP后HAA-PEI纤维的SEM图像（e-h）。具有不同尺寸（i-k）的PS-MNPs在用20 mg HAA-PEI纤维提取90分钟前后的吸附光谱。具有不同HAA-PEI纤维含量的PS-MNPs（l-n）的吸附光谱。

该工作进一步对比了HAA-PEI纤维、CAA-PEI纤维、HAA纤维和综纤维素对不同尺寸的PS-MNPs的吸附效率。显然，HAA-PEI纤维表现出比其他纤维更高的去除效率，针对100 nm、500 nm 和1 μm的PS-MNPs分别表现出99.4%、99.1%和98.5%的去除效率，与CAA-PEI纤维相比优势明显（92.3%、82.1%和80.5%）。这一结果表明综纤维素有利于接枝更多的PEI分子以提供与PS-MNPs的相互作用。同时，HAA-PEI纤维的高Zeta电位值可以增强带负电荷的PS-MNPs的吸附能力，并且在最初的90分钟内，在95%以上的效率下实现了最大吸附平衡。

图3. 吸附剂剂量浓度（a-d）和时间（e）对PS-MNP去除效率的影响；（f）HAA-PEI和PS@HAA-PEI的热重分析曲线。

吸附后PS@HAA-PEI纤维的后处理与功能化

PS-MNPs吸附材料的解吸附能力对其工业应用和可持续发展尤为重要。由于半纤维素的高可及性，以及综纤维素独特的“核-壳”结构，均有利于PS-MNPs的进一步解吸附。该工作受蝉蜕皮过程的启发，设计了一种简单的碱处理方法，去除吸附有MNPs的半纤维素（纤维外壳结构）。PS@HAA-PEI解吸附后的纤维显示出粗糙的表面。同时，PS-MNPs嵌入纤维间也能增强PS@HAA-PEI纤维的力学强度。因此，HAA-PEI纤维作为一种高效的MNPs吸附剂，通过混凝/絮凝与沉淀相结合的处理过程，具有从污染水源中去除MNPs的巨大潜力。

图4. HAA-PEI纤维（a），PS@HAA-PEI纤维（b），以及PS@HAA-PEI碱处理后的纤维（c）的SEM图像。（d）PS@HAA-PEI纤维后处理（解吸和造纸）过程示意图。（e）综纤维素纤维PS@HAA-PEI纤维的应力-应变曲线。（f）PS@HAA-PEI纸张示意图

该研究团队聚焦在综纤维素的提取和应用方面的研究，采用表面化学改性制备了接枝有聚乙烯亚胺的综纤维素（HAA-PEI）功能纤维。对不同尺寸大小的PS-MNPs均表现出了良好的吸附能力。同时，通过两种简单有效的后处理方法，实现了吸附后MNPs的回收以及再利用。该方法制备的HAA-PEI纤维可作为一种具有高吸附效率、易制备、易解吸附的微纳塑料吸附剂，为水环境中吸附微/纳塑料方面做出了一定的探索。

该研究以“Facile synthesis of functional holocellulose fibers for removal of micro-/nanoparticles of plastics from waste water”为题发表于Chemical Engineering Journal。华南理工大学轻工科学与工程学院博士后陈怡安博士为第一作者，华南理工大学轻工科学与工程学院的祁海松教授和北京防化院的康健教授为共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141251

下载：Facile synthesis of functional holocellulose fibers for removal of micro-/nanoparticles of plastics from waste water

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻