一种中空结构的Carbon@MnO2静电纺纳米纤维吸附剂高效去除废水中的Pb2+

开发重金属离子高效吸附剂，对水环境污染治理具有重要意义。最近，吉林大学李响教授团队报道了一种制备具有中空结构的Carbon@MnO2复合纳米纤维吸附剂的方法，实现了对水中Pb2+污染物的高效去除。该方法是将静电纺PAN纳米纤维膜预氧化和碳化后得到的碳纳米纤维作为还原剂和模板，利用水热反应在纤维表面原位生长MnO2纳米片，得到了中空结构的Carbon@MnO2复合纳米纤维。具有中空结构的Carbon@MnO2复合纳米纤维对Pb2+的吸附能力明显高于碳纳米纤维和MnO2/PDA/PAN纳米纤维，最大吸附容量可达460.83mg/g。中空Carbon@MnO2复合纳米纤维具有较好的再生性能，经过5次吸附-脱附循环后，去除率扔为81.47%。此外，中空纳米纤维对实际废水中Pb2+的去除率可达94.37%。表明，Carbon@MnO2中空纳米纤维在实际废水处理中具有潜在的应用前景。

重金属污染事件频发，对人类及其他生物的生存造成严重危害，因此如何高效净化重金属污染的水体已经成为人类刻不容缓解决的环境问题。全球每年有高达百万吨的有毒重金属排放到环境中，其中铅的排放量最大。全世界每年用于处理污水消耗的能源巨大，给经济和社会发展带来严重负担。纳米吸附剂是近年发展起来的一种新型功能材料，由于尺寸的微细化和结构特性赋予其许多优于传统材料的性能。金属氧化物纳米吸附剂由于小尺寸效应和大比表面积使这些金属氧化物在吸附水中污染物方面展现了较好的选择吸附性能，但是由于缺乏稳定性导致其在应用中极易出现团聚结块，并且不易分离，这使得金属氧化物吸附剂的吸附能力和选择性大大下降。与之相比，碳/金属氧化物复合纳米纤维吸附剂其表面存在含氧官能团并且具有优异的化学和热稳定性，因此在水中重金属污染物吸附移除方面展现出了优异的吸附能力。

本文发展了具有中空结构的碳/金属氧化物复合纤维的制备技术，实现了中空Carbon@MnO2纳米纤维高效吸附剂的可控制备。将静电纺 PAN 纤维膜经预氧化和碳化过程，得到的碳纳米纤维膜与KMnO4溶液进行水热反应，在反应过程中部分碳纤维作为还原剂将MnO4-还原成MnO2，碳纳米纤维由于氧化还原反应的消耗形成中空结构，随着水热反应逐步进行MnO2纳米片均匀覆着在具有空心结构的碳纳米纤维表面。中空Carbon@MnO2复合纳米纤维的比表面积为247.69 m2/g，平均孔径和孔容分别为 3.79 nm 和 0.57 cm3/g，高于碳纳米纤维膜的比表面积和孔容。由于中空结构的Carbon@MnO2纳米纤维具有更大的比表面积和孔容，因此可以为污染物的吸附提供更多的活性位点。经过pH选择吸附实验确定pH=6为最佳吸附条件，随着溶液pH值的增大，Pb2+的吸附容量逐渐变大，此时MnO2和碳纤维表面存在的含氧官能团脱质子，与Pb2+离子进行交换反应。中空纤维对Pb2+离子的吸附过程符合准二级动力学方程，通过 Langmuir 等温吸附模型求得中空Carbon@MnO2纳米纤维对Pb2+离子的最大吸附容量为460.83 mg/g，高于目前报道的同类吸附剂材料。