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SPT專欄｜重慶科技大學馮建團隊：以廢治廢——利用聚酰亞胺泡沫廢料高效分離回收廢水中的鎳

時間：2024-06-01 來源：瀏覽：

SPT專欄｜重慶科技大學馮建團隊：以廢治廢——利用聚酰亞胺泡沫廢料高效分離回收廢水中的鎳

馮建團隊環(huán)境人Environmentor

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第一作者： 陳虹妤

通訊作者： 馮建、何春林

通訊單位 ：重慶科技大學、廣西大學

DOI ： 10.1016/j.seppur.2024.127261

圖片摘要

成果簡介

近日，重慶科技大學化學化工學院馮建教授團隊在環(huán)境領(lǐng)域國際著名期刊《 Separation and Purification Technology 》（中科院 1 區(qū) Top ， IF=8.6 ）發(fā)表了題為“ Treating waste with waste: Efficient separation of Ni(II) from wastewater by a waste-derived polyimide foam with rationally designed structure ”的論文。本研究以聚酰亞胺泡沫廢料制備出一種新型吸附材料 PI-AC ，實現(xiàn)了廢水中鎳離子的高效分離和定向回收。采用 PI-AC 對真實電鍍廢水進行處理后，廢水中的鎳濃度遠低于國家標準的排放限值。同時，對洗脫液進行重結(jié)晶即可獲得高純度的鎳鹽產(chǎn)品。本研究為聚酰亞胺高分子材料在環(huán)境領(lǐng)域的應用探索出一條新的途徑。

引言

鎳（ Ni ）是工業(yè)生產(chǎn)必需的重要金屬之一，由于其毒性和生物累積能力，已被業(yè)界列為重點污染物。中國生態(tài)環(huán)境部規(guī)定工業(yè)廢水中鎳的最高允許排放濃度為 0.05 mg/L （ GB30484-2013 ）。電鍍廢水中通常含有較高含量的鎳，將其從中分離回收既可以避免環(huán)境污染，又能夠?qū)崿F(xiàn)鎳資源的循環(huán)利用，契合當下的“雙碳”目標。近年來，吸附法因其操作工藝簡單、無二次污染等優(yōu)點被廣泛應用于水體中重金屬的處理。聚酰亞胺（ PI ）具有耐高溫、耐酸、無毒、化學穩(wěn)定性好和易于改性等特性，在航空航天、軍事裝備和電子電器等領(lǐng)域得到了廣泛應用。與此同時，大量 PI 廢料也隨之產(chǎn)生。本文以 PI 泡沫廢料為基體，通過化學改性合成了含有胺基和羧基的功能化 PI 泡沫（ PI-AC) 。 PI-AC 表面的配位環(huán)境可以通過改變羧基與胺基的比例來進行有效調(diào)控，從而實現(xiàn)對 Ni(II) 的分離回收。

圖文導讀

PI-AC 的制備

圖 . 1 PI-AC 的合成過程。

圖 . 2 羧基和胺基的摩爾比對吸附容量的影響。

材料表征

圖 . 3 (a) FT-IR 譜圖； (b 、 c) PI-AC 和 PI-AC-Ni 的 EDS 元素圖譜； (d) XPS 光譜； (e) N ₂ 吸附 - 解吸等溫線； (f) 孔徑分布。

PI-AC 的吸附性能、吸附動力學和吸附等溫線

圖 . 4 (a-c) pH 值、接觸時間和 Ni(II) 初始濃度對 PI-AC 吸附容量的影響； (d-f) 準一級、準二級和 Elovich 模型線性擬合； (g-i) 不同溫度下（ 298 K 、 303 K 和 308 K ） Freundlich 、 Langmuir 和 Temkin 模型的擬合曲線。

PI-AC 的選擇性研究

圖 . 5 PI-AC 對廢水中不同金屬離子的吸附性能。

PI-AC 的動態(tài)吸附

圖 . 6 (a) 5 次吸附解吸穿透曲線； (b ， c) Thomas and Adams-Bohart 模型擬合。

機理分析

圖 . 7 (a) 改性前后 PI 對 Ni(II) 的吸附容量對比； (b) PI-AC 的 Zeta 電位分析； (c-f) PI-AC 的 C 1s 、 O 1s 、 N 1s 和 Ni 2p XPS 光譜。

圖 . 8 (a) PI-AC 的優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及 PI-AC 與 Ni ²⁺ 配合物的優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)、結(jié)合能和鍵長； (b 、 c) PI-AC 和 PI-AC 與 Ni ²⁺ 配合物的分子表面靜電勢分布圖； (d 、 e) PI-AC 和 PI-AC 與 Ni ²⁺ 配合物的 HOMO-LUMO 分子軌道能隙圖； (f) 吸附機理示意圖。

PI-AC 處理真實廢水

圖 . 9 (a) 固定床實驗裝置圖； (b) 固定床處理低濃度含鎳廢水的吸附穿透曲線； (c, d) 固定床處理真實電鍍廢水。

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小結(jié)

本文利用 PI 泡沫廢料成功制備出胺基 - 羧基功能化的 PI-AC ，并將其用于吸附分離廢水中的 Ni(II) 。得出以下結(jié)論：

（ 1 ）證明了 PI 泡沫材料可用于從廢水中分離去除 Ni ，實現(xiàn)了 “ 以廢治廢 ” 。

（ 2 ） PI-AC 的吸附性能可通過表面基團的比例進行調(diào)節(jié)，這為設計具有高效吸附性能的 PI 材料提供了新策略。

（ 3 ） PI-AC 吸附容量較高（ 222.59 mg/g ），動態(tài)吸附實驗可以實現(xiàn)廢水中 Ni 的零排放（ <0.001 mg/L ）。

（ 4 ）洗脫液可通過重結(jié)晶獲得鎳鹽，實現(xiàn)鎳的升級回收。

綜上所述， PI-AC 具有制備工藝簡單，吸附性能好，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，是一種高效分離廢水中 Ni(II) 的優(yōu)良材料。

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作者簡介

通訊作者馮建： 博士，教授，碩士研究生導師，天府英才，江蘇省省級科技人才（科技副總），自貢市雙千計劃團隊帶頭人，美國加州大學戴維斯分校國家公派訪問學者，重慶科技大學有機化學學科方向帶頭人。主要從事化工新材料合成和環(huán)境工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)與工程化應用研究，先后主持國家自然科學基金、重慶市自然科學基金等各類縱向及企業(yè)橫向課題 30 余項，發(fā)表 SCI/EI 檢索論文 70 余篇，授權(quán)發(fā)明專利 9 項，獲中國化工學會科學技術(shù)二等獎 1 項、重慶市科技進步三等獎 1 項，與企業(yè)合作開發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品已實現(xiàn)銷售收入超過 1 億元。

電子郵箱： jianfeng@cqust.edu.cn

通訊作者何春林： 博士，副教授，碩士研究生導師。主要從事稀貴金屬綜合利用、微波冶金、固廢綜合利用等方面的研究，先后主持國家自然科學基金 2 項、廣西重大專項子課題 1 項、廣西自然科學基金面上 1 項及橫向課題 2 項，專利轉(zhuǎn)化 1 項，發(fā)表論文 50 余篇，其中一作或通訊 SCI 論文 25 篇，授權(quán)發(fā)明專利和實用新型專利 12 項，獲廣西科技進步二等獎 1 項，廣西科技發(fā)明獎 1 項，廣西科技進步獎三等獎 1 項，與企業(yè)合作開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品和工藝，實現(xiàn)產(chǎn)值 5 千萬元。

電子郵箱： helink@gxu.edu.cn

第一作者陳虹妤： 重慶科技大學化學專業(yè)研究生。研究方向為聚酰亞胺基材料的合成及其在有色金屬分離回收方面的應用。目前在期刊 Separation and Purification Technology ， Polymer 和 Microporous and Mesoporous Materials 上共發(fā)表論文 3 篇。

電子郵箱：

投稿：重慶科技大學化學化工學院馮建教授團隊。投稿、合作、轉(zhuǎn)載、進群，請?zhí)砑有【幬⑿臙nvironmentor2020！環(huán)境人Environmentor是環(huán)境領(lǐng) 域 最大的學術(shù)公號 ，擁有 20W+活躍讀者 。由于微信修改了推送規(guī)則，請大家將環(huán)境人Environmentor加為星標，或每次看完后點擊頁面下端的 “賞” ，這樣可以第一時間收到我們每日的推文！環(huán)境人Environmentor現(xiàn)有綜合群、期刊投稿群、基金申請群、留學申請群、各研究領(lǐng)域群等共20余個，歡迎大家加小編微信Environmentor2020，我們會盡快拉您進入對應的群。