Sep. Purif. Technol.：使用電紡DTPA改性的殼聚糖/聚環氧乙烷納米纖維可有效去除廢

DOI:10.1016/j.seppur.2020.116914

開發了二乙烯三胺五乙酸改性的殼聚糖/聚環氧乙烷納米纖維（CS-DTPA/PEO NFs）以增強重金屬離子的吸附。通過靜電紡絲制備了這些納米纖維，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分別對其形態和結構進行研究。在室溫下測試了CS-DTPA/PEO納米纖維從水溶液中去除銅（Cu2+）、鉛（Pb2+）和鎳（Ni2+）離子的能力。研究了[DTPA]/[NH2]摩爾比、pH和金屬離子初始濃度對其吸收能力的影響，以優化工藝條件，使用擬一級和表觀二級、Boyd和粒子內擴散模型測定了金屬離子吸附的限速步驟。轉而，使用Freundlich、Langmuir、Temkin和Dubinin-Radushkevich等溫模型來描述實驗數據。結果表明，CS-DTPA/PEO納米纖維對金屬離子的吸附能力依次降低：Cu2+?Pb2+?Ni2+。從第一次接觸含金屬離子的溶液開始90分鐘后，建立吸附平衡，并使用Langmuir等溫線模型描述實驗數據。CS-DTPA/PEO納米纖維對Cu2+、Pb2+和Ni2+離子的最大吸附容量分別為177、142和56 mg g-1。經過五次吸附-解吸試驗后，測定了CS-DTPA/PEO納米纖維的穩定性和可重復性。

圖1.穩定前后的CS/PEO（a-c）和CS-DTPA/PEO（b-d）納米纖維的SEM圖像和尺寸分布。

圖2.PEO（藍色）、穩定的CS/PEO（綠色）和CS-DTPA/PEO納米纖維（黑色）的ATR-FTIR光譜。

圖3.CS-DTPA/PEO（a，c）和CS/PEO（b，d）納米纖維的高分辨率C 1s和N 1s XPS光譜。實測光譜用空心圓表示，而其對應的擬合包絡用紅線表示。不同功能組的單獨貢獻用藍線表示。

圖4.（a）吸附Cu²⁺（右）和Ni²⁺（左）離子后的CS-DTPA/PEO納米纖維，（b）吸附在CS-DTPA/PEO納米纖維上的Cu²⁺、Pb²⁺和Ni²⁺離子的量與[DTPA]/[NH2]摩爾比的關系圖。所有樣品均包含20 mg CS-DTPA/PEO納米纖維，初始金屬離子濃度為300 mg L^-1。在150 rpm攪拌下接觸120分鐘后，測量金屬離子的量。

圖5.（a）吸附在納米纖維上的Cu²⁺、Pb2+和Ni²⁺離子與pH值的關系圖（20 mg CS-DTPA/PEO納米纖維[DTPA]/[NH2]摩爾比為0.4；初始金屬離子濃度為300 mg L^-1）。（b）吸附在納米纖維上的Cu²⁺、Pb²⁺和Ni²⁺離子與初始金屬離子濃度的關系圖（20 mg CS-DTPA/PEO納米纖維[DTPA]/[NH2]摩爾比為0.4，Cu²⁺和Pb²⁺的pH為5，Ni²⁺離子的pH為6）。在150 rpm攪拌下接觸120分鐘后，測量金屬離子的量。

圖6.（a-d）吸附在納米纖維上Cu²⁺、Pb²⁺和Ni²⁺的量（qt）與時間的關系圖（20 mg CS-DTPA/PEO納米纖維，初始離子濃度為500 mg L^-1，攪拌速度為150 rpm）。（b-d）使用擬一階和擬二階動力學模型擬合的實驗動力學數據。

圖7.（a）使用粒子內擴散模型擬合的納米纖維上吸附Cu²⁺、Pb²⁺和Ni²⁺的量（qt）與t1/2時間的關系。（b）使用Boyd模型擬合的-ln (1-F)與納米纖維上吸附Cu²⁺、Pb²⁺和Ni²⁺時間的關系。實驗條件：20 mg CS-DTPA/PEO納米纖維，初始離子濃度為500 mg L^-1，攪拌速度為150 rpm。

圖8.使用Langmuir和Freundlich等溫模型擬合的CS-DTPA/PEO納米纖維的平衡Cu²⁺（a）、Pb²⁺（b）和Ni²⁺（c）吸收容量（q_e）與溶液中平衡金屬離子濃度（C_e）的關系。實驗條件：20 mg CS-DTPA/PEO納米纖維，攪拌速率為150 rpm，接觸時間為90分鐘，初始金屬離子濃度范圍為50至750 mg L^-1。

圖9.（a）使用Temkin等溫模型擬合的CS-DTPA/PEO納米纖維的平衡Cu²⁺、Pb²⁺和Ni²⁺吸收容量（qe）與InCe的關系圖。（b）使用Dubinin-Radushkevich等溫模型擬合的Inq_e和波尼蘭勢ε²的關系圖。實驗條件：20 mg CS-DTPA/PEO納米纖維，150 rpm的攪拌速度和90分鐘的接觸時間；初始金屬離子濃度范圍為50至750 mg L^-1。

圖10.（a）CS-DTPA/PEO納米纖維和CS/PEO納米纖維上的競爭性Cu²⁺、Pb²⁺和Ni²⁺吸附。實驗條件：pH=5，金屬的初始濃度為200 mg L-1，100 mg CS-DTPA/PEO納米纖維或CS/PEO納米纖維，攪拌速度為150 rpm，接觸時間為90分鐘。（b）CS-DTPA/PEO納米纖維的Cu²⁺、Pb²⁺和Ni²⁺回收率（％）以及吸收容量（qe）與吸附-解吸循環的關系。實驗條件：初始金屬離子濃度為500 mg L-1，20 mg CS-DTPA/PEO納米纖維，攪拌速度為150 rpm，接觸時間為90分鐘。（c）Cu²⁺、Pb²⁺和Ni²⁺在CS-DTPA/PEO納米纖維上的可能吸附-解吸機理。