富含鳥糞石晶種的生物降解電紡纖維用于磷和氮的回收

DOI：10.1016/j.eurpolymj.2019.109389

21世紀全球面臨的最大挑戰之一是磷儲量的枯竭，其廣泛用于肥料。一種可能性是回收由人類活動排放到水中的磷，這也帶來了通過限制富營養化來改善水質的額外好處。在這項工作中，通過靜電紡絲法制備可生物降解的聚乳酸（PLLA）無紡布，這是一種具有高表面體積比的多孔纖維材料，能夠促進鳥糞石晶體的結晶，作為從富營養溶液中回收磷和氮的一種途徑。為了實現這一目標，通過采用不同的制備步驟，包括超聲處理步驟，單噴嘴和同軸靜電紡絲，故意向PLLA纖維施加少量的鳥糞石晶體（3，7 wt%）。將含有鳥糞石晶體的PLLA纖維浸入適當離子的合成溶液中，通過掃描和透射電子顯微鏡、廣角X射線衍射、熱重分析和原子發射光譜等多種技術對浸泡的無紡布進行分析，以研究鳥糞石堆積的發生情況。我們證明了負載在PLLA纖維中的鳥糞石成功地充當了晶種，并使鳥糞石晶體沉淀牢固地附著在纖維表面。結果表明，PLLA纖維中晶種的分散質量以及它們在纖維截面上的位置嚴重影響鳥糞石的回收。這些材料與廢水接觸并富含鳥糞石后，可以直接用作現成的肥料。

圖1. A）草圖，描述了載有MAP的電紡PLLA的作用方式：摻入纖維中的MAP充當晶種，用于從溶液中募集Mg²⁺，NH₄⁺和PO₄³-。B）單噴嘴靜電紡絲：在P1中，將MAP添加到DCM中，攪拌1小時（步驟a），添加PLLA，攪拌1小時后，聚合物完全溶解（步驟b），最后添加DMF（步驟c）；在P2中，在步驟a和b之間進行20分鐘的超聲處理（兩個步驟，每個步驟10分鐘，彼此間隔2分鐘）；在進行電紡之前，先進行P3超聲處理（兩個步驟，每步驟10分鐘，彼此間隔2分鐘）。C）同軸噴嘴靜電紡絲：有關MAPcore（MAP載入內部溶液）和MAPshell（MAP載入外部溶液）的詳細信息。

圖2.從單噴嘴靜電紡絲（左）和同軸噴嘴靜電紡絲（右）獲得的初紡墊。PLLA（A），P1（B），P2（C），P3（D），MAPcore（E和G）和MAPshell（F和H）墊的SEM和TEM顯微照片。比例尺：2 μm（SEM）； 200 nm（TEM，A，B，C和D）； 500 nm（TEM，E和F）。TEM圖像中的圓圈突出顯示鳥糞石顆粒。

圖3.在合成溶液中浸泡72小時后，使用單噴嘴靜電紡絲制成的墊子。PLLA（A），P1（B），P2（C）和P3（D）的SEM顯微照片（比例尺：10 μm）。E）PLLA（a，黑色），P1（b，藍色），P2（c，紅色）和P3（d，綠色）的X射線衍射圖和F）TGA曲線。

圖4.電紡樣品浸泡在合成溶液中72小時后，鳥糞石的重量百分比通過不同方法進行定量：質量（方程式1，藍色）；通過TGA（方程式2，灰色）；通過AES（鎂含量測定，方程3，紅色）；通過AES（P確定，公式4，綠色）。

圖5.在合成溶液中浸泡72小時后的MAPcore（A-B）和MAPshell（C-D）樣品的SEM顯微照片。比例尺：20 μm（A，C）和10 μm（B，D）。E）在合成溶液中浸泡72小時后，MAPcore（a）和MAPshell（b）樣品的X射線衍射圖。F）在合成溶液中浸泡72小時后的MAPcore（a，紅色）和MAPshell（b，黑色）樣品的TGA曲線。

圖6.同軸靜電紡制成的氈片，浸入去離子水中，然后浸入合成溶液中72小時：MAPcore（A）和MAPshell（B）的SEM顯微照片（比例尺= 20μm）以及MAPcore（a）和MAPshell（b）的X射線衍射圖。