山东大学王新强教授：首次采用一步电纺法制备SiO2-MgO杂化纤维

废水中的重金属是一种难降解重金属，不仅对环境造成长期的危害，对人类健康有很大威胁。因此，重金属的去除受到了人们的广泛关注，并衍生出了混凝-絮凝、溶气浮选、膜过滤、电化学处理和生物处理等一系列废水处理技术，其中一些技术操作简单，但是效率低。效率高的方法却需要承担高成本或需要较高的能耗。活性炭、壳聚糖、沸石、粘土等传统吸附剂在废水处理中得到了广泛的应用。然而，高效、低成本、无害、易分离等满足实际需要的新型吸附剂和替代吸附剂仍有待探索。近年来静电纺丝技术在纤维材料制备方面已显示出巨大的优势，并且发展迅速，但利用静电纺丝技术制备SiO₂-MgO纤维仍是一个挑战。其中，最大的困难是合成硅镁前驱体纺丝液，硅基纤维的制备一般依赖于硅烷的水解，而硅和镁遇水容易析出。

为了解决上述问题，山东大学王新强教授团队首次采用一步电纺丝法成功地合成SiO₂-MgO杂化纤维(SMHFs)，并对其进行了表征和重金属吸附性能评价。在这项研究中，C₆H₈O₇·H₂O作为无害的酸水解催化剂促进水解，强酸镁盐作为镁源，以避免沉淀。溶液具有酸性环境，pH值为2.1~2.8，是形成稳定硅镁溶胶的必要条件。然而，当Si/Mg比低于2或CTAB量高于3时，溶胶通常在12小时内析出。作者通过调控Si/Mg比为10、6、3、2的纤维，CTAB水平为1、2、3成功制备了SiO₂-MgO杂化纤维。热力学表明，SMHFs具有自发吸附和物理化学吸附性质。SMHFs在存在干扰物质的情况下保持了良好的性能，并保持了其可重用性。因此，SMHFs具有高效、低成本、易制备、环保等优点，在污水处理及相关领域具有广阔的应用前景。此外，作者对纺丝过程进行了详细的表征研究，确定了五种二价重金属的选择性序列。还研究了铅(II)和铜(II)吸附的动力学、等温线、热力学、影响因素及再生性能。相关研究成果以“Electrospun SiO₂-MgO hybrid fibers for heavy metal removal: characterization and adsorption study of Pb(II) and Cu(II)”为题目发表于期刊《Journal of Hazardous Materials》上。

图1 纺丝液和SMHFs的合成示意图。

图2 (a)C2@3-HPS#500、(b)N2@3-HPS#500 和 (c)C2@3-#500的SEM图像；(d-h)C2@3-HPS#500的元素分布图；(i-m)C2@3-#500的元素分布图。

图3 （a）MgO fiber, SiO₂ 和 C2@3-HPS#500纤维对Pb(II) and Cu(II)的吸附性能对比图，（b）C2@3-HPS#500纤维的循环性能。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.120974

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