李成亮教授团队系统评述:碳纳米材料去除水环境中的全氟烷基化合物
发布时间: 2019-12-09 作者: 浏览次数: 21

全氟烷基化合物(PFASs)以其独特的疏水疏油、热稳定和耐酸碱等性质,被广泛的应用到涂料、粘合剂、乳化剂、灭火泡沫等日用和工业产品中。此外,PFASs的一些前体化合物在降解后也会形成PFASs。全氟辛酸(PFOA)和全氟辛基磺酸(PFOS)是两种理化性质最稳定的PFASs。然而,PFASs的大量使用会使其不可避免的释放到环境中,并通过水、土壤等介质进行转移,从而增加了PFASs的生态毒性。此外,具有高键能的C-F键使得PFASs能够非常稳定的存在于环境中,很难通过自然方式被降解去除。因此,PFASs容易在自然环境介质中积聚。PFASs在水环境中的广泛存在及其对生物体的潜在毒性引起了人们的极大关注。

为去除环境中的PFASs,人们研究了多种方法和技术,包括过滤、吸附、光化学氧化、紫外线辐射、电化学氧化等。其中吸附法因不产生有害中间产物、对环境危害小、成本投入低等特点而成为一种广泛用于去除环境中污染物的方法。碳纳米材料(CNMs),特别是碳纳米管(CNTs)和石墨烯,具有很高的比表面积、丰富的孔隙率、优异的阴阳离子吸附能力以及化学稳定性。同时CNMs因其具有纳米尺寸的特殊性质,可以突破与之对应的宏观材料的许多限制(如高表面活性、量子尺寸效应和表面/界面效应)。此外,CNMs还可以通过多种方法进行功能化和表面形貌修饰,以提高其吸附性能。因此,CNMs对快速有效地处理含PFASs的污水极具潜力。

首先该文章系统介绍了目前研究中经常使用的利用CNMs去除PFASs的几种方法(图1):(1)利用原始CNMs具有的超高疏水性,通过疏水相互作用去除溶液中的PFASs;或者将目标聚合物负载到CNMs上,形成具有更高疏水性的复合纳米材料,增强CNMsPFASs之间的疏水作用,从而提高CNMs纳米复合材料对PFASs的吸附能力。(2)利用强酸/碱处理CNMs,使大量的亲水性官能团,如羧基、羰基和羟基等负载到CNMs上,提高其在溶液中的分散性。这可能会促进CNMsPFASs的静电相互作用,从而提高CNMsPFASs的吸附效率。(3CNMs还可以与特定纳米材料(例如金属纳米颗粒和分子印迹聚合物)复合,以改善CNMs的比表面积和表面结构性质,并提高其对PFASs的亲和力和选择性。(4)将CNMs制备成电极,通过外部施加的弱电压,在电流的作用下,提高CNMsPFASs的去除能力。



1 污染物去除的示意图

 

随后文章基于该团队和相关研究工作,归纳了PFASsCNMs上的吸附行为。CNMs易于引入新的吸附位点,改变其疏水性或亲水性,使其具有比传统吸附剂更好的吸附潜力。通过CNMsPFASs的吸附动力学过程、等温吸附过程、环境因素(溶液离子强度、离子种类、pH)的影响等方面的研究发现,CNMsPFASs的去除效果显著,平衡时间比常规吸附剂快。PFASsCNMs上的吸附机理涉及静电相互作用、疏水相互作用、氢键和配体交换作用。因此CNMs是一种绿色环保、高效的吸附剂,值得进一步进行研究。

最后文章对CNMs的应用进行了讨论和展望。通过化学交联法、电泳沉积法和热化学气相沉积法等,可以将微小的CNMs制备成三维立体结构,如CNTs/石墨烯海绵、CNTs电极、CNTs/石墨烯复合电极等。另外,分子印迹聚合物与CNMs复合材料对目标PFASs具有较高的亲和力和选择性,可以降低其他共存化合物在介质中的竞争吸附,这也是一项可以大力发展的技术。这些三维CNMs可以很容易地从液体环境中分离出来,极大地减少了固液分离时间。使用甲醇等溶液可以非常简单的将CNMs吸附的PFASs解吸下来,而不会改变CNMs自身的理化性质,这赋予了CNMs可回收和重复使用功能,符合当下环境污染治理的宗旨。

该论文以“Removal of perfluorooctanoic acid (PFOA) and perfluorooctane sulfonate (PFOS) from water by carbonaceous nanomaterials: A review”为题发表在TaylorFrancis旗下期刊Critical Reviews in Environmental Science and TechnologyDOI10.1080/10643389.2019.1700751。山东农业大学资源与环境学院博士研究生刘龙飞为第一作者,李成亮教授为该文通讯作者。该项目得到了国家自然科学基金(NO. 21377074)的资助。



论文链接:https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10643389.2019.1700751