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科研人員在聚苯胺制備及其水汙染處理應用中取得系列成果
文章来源: 夏凯 发布时间: 2021-09-10

  中科院闲来麻将固體所科研人員針對聚苯胺的制備及應用領域開展了系統研究,深入探索了聚苯胺在去除廢水中Cr(VI)方面的應用,取得了系列進展。該系列研究從聚苯胺納微結構的制備出發,合成了不同形貌的聚苯胺,同時將聚苯胺用于汙水處理領域,發現聚苯胺對水中Cr(VI)具有良好的去除能力。進一步將聚苯胺負載在宏觀尺寸的改性纖維球上,在有效去除Cr(VI)的同時避免了聚苯胺去除Cr(VI)過程中的二次汙染問題,爲實現其工業化應用奠定了基礎。

  聚苯胺(Polyaniline)是具有廣闊應用前景的一種導電高分子聚合物,不僅有獨特的質子摻雜能力、氧化-還原能力、可調節的導電能力、強化學和環境穩定性,且原料低廉易得、合成工藝簡單。因此,對聚苯胺的制備和性能研究成爲了導電聚合物領域的研究熱點。

  固體所研究團隊探索了聚苯胺微/納米結構的制備方法,分別在酸性和堿性條件下合成了形貌不同的聚苯胺;結合其獨特的氧化還原特性和可逆的摻雜特性,探討不同形貌的聚苯胺微/納米結構在汙水處理領域的應用。

  研究人員以不同的羧酸爲摻雜劑,通過化學氧化聚合法制備了宏量的一維聚苯胺納米線/管,其中羧酸根(COOH)與苯胺(aniline)的物質的量濃度之比對于産物的形貌有重要的影響。將一維聚苯胺納米線/管用于去除水中Cr(VI)時發現,水中的Cr(VI)被聚苯胺還原爲Cr(III),且還原後的Cr(III)還能被聚苯胺吸附。同時,聚苯胺會被Cr(VI)氧化,從摻雜的中間氧化態(翠綠亞胺鹽)轉變爲完全氧化態(聚對苯亞胺),而被氧化的聚對苯亞胺經酸處理仍可轉變爲翠綠亞胺鹽,聚苯胺的形貌並未發生明顯的變化。該研究表明,一維聚苯胺納米線/管是一種高效、可再生的去除Cr(VI)材料。相關研究成果發表在Journal of Physical Chemistry C 上。

 

  图1. 合成的聚苯胺纳米丝的(a)SEM和(b)TEM照片。

 

  图2. 加入聚苯胺纳米丝后,溶液中的Cr浓度随时间的变化趋势。初始Cr(VI)浓度为0.8 mmol/L,溶液pH值为5。

  在酸性条件下,研究人员采用简单的二价铜盐催化自组装的方法,合成了空心和芯-壳结构的聚苯胺纳微球。研究发现,在反应过程中,二价铜盐作为催化剂起到了加速反应进程的作用;苯胺单体自身组成的微滴起到了“软模板”的作用。进一步将该聚苯胺空心球用于去除水中的有机染料甲基橙,结果表明,与其它吸附剂相比,聚苯胺空心球表现出了更高的吸附能力(384.62 mg/g),具有高吸附能力的聚苯胺空心球将在有机染料的废水治理中发挥重要作用。相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry上。

 

  图3. 在0-5 °C ,[aniline]=0.3 M,[aniline]:[APS]:[CuCl2]= 8:8:1条件下,合成的聚苯胺空心球的SEM (a)和TEM (b)照片。

 

  图4. 不同pH条件下,聚苯胺纳/微空心球对Cr(VI)的去除能力随时间的变化:(a) Cr(VI)溶液的数码照片;(b) Cr(VI)的浓度变化。初始Cr(VI)溶液浓度为1.2 mmol/L。

  目前,聚苯胺几乎都是在酸性条件下合成的,关于在碱性条件下合成聚苯胺的研究极少。为此,研究人员在碱性溶液中以曲拉通为表面活性剂,过硫酸铵为氧化剂,将苯胺单体氧化聚合,得到了聚苯胺纳/微空心球,实现了聚苯胺在更宽pH值范围内的合成。进一步研究发现,在较宽的pH范围内,聚苯胺微/纳空心球对Cr(VI)具有快速有效的去除效果。当pH值为3时,聚苯胺的最大去除率可达127.88 mg/g。同时,所制备的聚苯胺微/纳米空心球可以在强酸条件下再生,且其去除Cr(VI)能力几乎不变。该研究工作通过软模板法合成聚苯胺纳/微空心球,工艺简单、产量高,为制备聚苯胺微/纳米结构提供了新的途径,且在污水处理领域有较强的实用价值。相关研究成果发表在Nanoscale Research Letters上。

  聚苯胺納米線/管、納/微空心球在去除Cr(VI)時雖然具有較高的吸附效率、且可循環再生,但是由于其屬于納米尺度,需要經過離心、過濾等處理才可實現再次利用,這不僅容易造成二次汙染,還增加了處理成本,不利于大規模工業化的應用。鑒于此,研究人員采用化學氧化聚合法制備了宏觀尺寸的纖維球負載聚苯胺(PANI/m-FB)複合材料,有效地解決了納米尺度聚苯胺造成的二次汙染問題。同時,該複合材料對Cr(VI)具有較高的去除能力,且制備工藝簡單、成本低廉,可以循環使用,具有極大的工業化應用潛力。相關研究成果發表在Nanoscale Research Letters 上。

 

  图5. 聚苯胺/纤维球复合材料的SEM照片(a-c);(d)负载聚苯胺前后纤维球的数码照片。

 

  图6. 反应时间对聚苯胺/纤维球复合材料吸附能力的影响: Cr(VI)浓度随时间的变化; (b) Cr(VI)去除率随时间的变化。 

   上述研究工作得到了國家自然科學基金等項目的支持。

   文章鏈接:

         https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp1091653 

         https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/jm/c0jm04489j/unauth 

         https://doi.org/10.1186/s11671-018-2815-8

         https://doi.org/10.1186/s11671-021-03509-y 

   
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