一种新型的超交联吸附剂,具有选择性和二次吸附性能,由废弃聚苯乙烯泡沫制成

时间:2026年5月16日
来源:Separation and Purification Technology

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彭龙飞|杭启豪|韩健|刘凯莉|普拉莫奇·兰松维吉特|劳夫·朱拉孔佐达|陈建新河北工业大学化学工程与技术学院,天津300401,中国摘要“以废治废”是一种有效且合理的策略,用于处理固体废物和水中的有机污染物。本文中,将废弃聚苯乙烯泡沫和肉桂酸制备成一种新型的超交联聚合物吸附剂(CA

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彭龙飞|杭启豪|韩健|刘凯莉|普拉莫奇·兰松维吉特|劳夫·朱拉孔佐达|陈建新
河北工业大学化学工程与技术学院,天津300401,中国

摘要

“以废治废”是一种有效且合理的策略,用于处理固体废物和水中的有机污染物。本文中,将废弃聚苯乙烯泡沫和肉桂酸制备成一种新型的超交联聚合物吸附剂(CA/PS-HCP),其比表面积为715.06 m2/g。聚苯乙烯和肉桂酸分别赋予CA/PS-HCP多孔结构和亲水性。CA/PS-HCP能够选择性吸附罗丹明B(RhB)并分离RhB/MB(亚甲蓝)体系。CA/PS-HCP-0.25对RhB和MB的吸附容量分别达到362.0 mg/g和302.5 mg/g,其对RhB/MB的选择性系数为29.45。CA/PS-HCP主要通过四种吸附机制吸附RhB:π-π堆积、孔隙吸附、阳离子-π相互作用和静电相互作用。更重要的是,CA/PS-HCP通过吸附的RhB实现了对Cr(VI)的二次吸附,其吸附容量为54.5 mg/g。本研究既利用了废弃聚苯乙烯泡沫,也利用了废水中的RhB,从而实现了固体废物的资源化处理和水中有机污染物的去除,同时为二次吸附开辟了新的应用前景。

引言

据联合国报告预测,未来20年全球废物产生量将达到34亿吨[1]。到2050年,每人每天将产生约1.14公斤的城市固体废物[2][3]。“以废治废”是一种有效、合理、经济且可持续的废物处理方法[4][5][6]。多项研究表明,可以利用废弃物聚合物制备多孔吸附剂和分离膜,用于废水中的油水分离[7][8][9]。大量生物质和炉渣也被加工成吸附剂,用于处理污水和废水[10][11][12][13]。最近的研究表明,废弃菜籽花粉可用于去除水中的磷酸盐[14]。糖精废水也被用于合成层状双氢氧化物复合材料,以吸附水中的罗丹明B[15]。然而,由于废物种类繁多且数量庞大,以废治废的途径和技术仍需进一步开发和改进。
废弃聚苯乙烯泡沫是一种常见的固体废物,常用于包装材料。它容易分解成微塑料污染物并进入环境,在此过程中微塑料还会与环境中的有机污染物结合[16][17]。然而,废弃聚苯乙烯泡沫不仅是一种废物,也是一种有价值的资源。利用废弃聚苯乙烯泡沫对于处理其他废物或污染物具有重要的经济价值和实际意义。聚苯乙烯含有大量苯环,可以通过烷基化反应制备出比表面积高的超交联吸附剂。最具代表性的例子是Davankov等人使用后交联方法制备的超交联聚苯乙烯[18]。已有大量关于使用磺酸基团对废弃聚苯乙烯泡沫衍生的超交联聚苯乙烯吸附剂进行改性的研究[19][20]。此外,还报道了使用酰胺[21]、羟基[22]、triple bondN[22]和羧基[23][24][25]等构建块对超交联聚苯乙烯吸附剂进行改性的研究。这些构建块可以有效吸附和富集水中的有机污染物和重金属离子。然而,基于废弃聚苯乙烯泡沫制备的吸附剂对污染物的选择性吸附能力仍有待提高。同时,超交联聚苯乙烯吸附剂的亲水性相对较差,需要进一步改善。
肉桂酸是一种天然有机酸,广泛用于香料和药品的合成。它含有三个官能团:苯环、羧基和double bondC。这些官能团使其具有作为超交联构建块的潜力。Mutahird等人报道了用肉桂酸改性生物炭以吸附水中的亚甲蓝[26]。Chen等人还报道了使用肉桂酸作为构建块合成的多孔有机聚合物,可以选择性吸附多酚[27]。因此,可以推测肉桂酸的超交联可能产生高选择性的多孔吸附剂。然而,肉桂酸结构中的羧基是一个吸电子基团,会降低烷基化反应的活性,这可能导致以肉桂酸为构建块的超交联聚合物的比表面积较低。引入合适的构建块以提高肉桂酸的超交联比表面积至关重要。废弃聚苯乙烯泡沫是一个很好的选择,将其作为构建块不仅可以提高超交联肉桂酸的比表面积,还能实现废弃聚苯乙烯的回收利用。
此外,某些超交联吸附剂在吸附污染物后可以发生二次吸附。利用吸附产物作为新的吸附位点进行二次吸附,可以实现污染物的再利用。我们之前的研究表明,吸附在ABS-HCP-am上的Cr(VI)可作为RhB的二次吸附位点[28]。然而,ABS-HCP-am在初次和二次吸附过程中都能吸附RhB,这阻碍了对二次吸附机制的深入理解。二次吸附的应用场景也相对有限,需要进一步拓展。将废弃聚苯乙烯的回收利用与水中污染物的处理相结合具有很大的实际价值。
在本研究中,使用废弃聚苯乙烯泡沫和肉桂酸作为构建块,制备了一种对RhB具有选择性吸附能力的新超交联聚合物吸附剂(CA/PS-HCP)。CA/PS-HCP实现了“以废治废”的策略:废弃聚苯乙烯泡沫提高了比表面积,而肉桂酸赋予了选择性吸附能力。CA/PS-HCP能够选择性吸附RhB,并实现废弃聚苯乙烯的回收利用。我们还使用亚甲蓝(一种与RhB相同的阳离子染料)研究了CA/PS-HCP对RhB的选择性吸附。吸附RhB后,CA/PS-HCP的化学性质发生了变化,其吸附机制也得到了探讨和研究。CA/PS-HCP在吸附RhB后还能实现Cr(VI)的二次吸附,从而实现了RhB的再利用。此外,CA/PS-HCP为二次吸附开辟了新的应用前景。

章节摘录

化学物质与材料

相关信息见支持资料。

CA-HCP和CA/PS-HCP的合成

将废弃聚苯乙烯泡沫(PS)和反式肉桂酸(CA)(总质量为1.0000 g)完全溶解在含有40 mL二氯甲烷(DCM)的三颈烧瓶中。然后,根据构建块的摩尔量,按特定摩尔比加入二甲氧基甲烷(1:2)和FeCl3(1:4)。整个体系在40°C下反应5小时,随后在80°C下继续反应19小时,同时保持回流。

CA-HCP和CA/PS-HCP-0.25的表征

CA-HCP(图1a-b)是一种不规则、颗粒粗大的材料,粒径范围为几微米。CA/PS-HCP-0.25(图1c-d)、CA/PS-HCP-0.50(图1e-f)和CA/PS-HCP-0.75(图1g-h)的颗粒形状也不规则,粒径范围从几百纳米到几微米不等。随着样品中肉桂酸含量的增加,粒径逐渐减小。与CA-HCP相比,所有CA/PS-HCP的表面更加粗糙。
所有样品的XRD曲线(图2a)显示...

结论

肉桂酸和废弃聚苯乙烯泡沫经过超交联,制备出一种比表面积为715.06 m2/g的选择性吸附剂。CA/PS-HCP-0.25对RhB和MB的吸附容量分别达到362.0 mg/g和302.5 mg/g。CA/PS-HCP-0.25对RhB的吸附过程主要符合伪二级方程。随着温度的升高,吸附等温线从更适合朗缪尔模型转变为弗伦德利希模型。CA/PS-HCP-0.25还能...

CRediT作者贡献声明

彭龙飞:撰写——初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。杭启豪:数据分析、概念构建。韩健:资源获取、方法学设计、数据分析、概念构建。刘凯莉:软件使用、资源获取、方法学设计、数据分析、概念构建。普拉莫奇·兰松维吉特:资源获取、方法学设计、概念构建。劳夫·朱拉孔佐达:资源获取、方法学设计、概念构建。陈建新:撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(项目编号:952575115)和国家重点研发计划(项目编号:2021YFC3201400)的支持。

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