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SPT专栏｜重庆科技大学冯建团队：以废治废——利用聚酰亚胺泡沫废料高效分离回收废水中的镍

时间：2024-06-01 来源：浏览：

SPT专栏｜重庆科技大学冯建团队：以废治废——利用聚酰亚胺泡沫废料高效分离回收废水中的镍

冯建团队环境人Environmentor

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第一作者： 陈虹妤

通讯作者： 冯建、何春林

通讯单位 ：重庆科技大学、广西大学

DOI ： 10.1016/j.seppur.2024.127261

图片摘要

成果简介

近日，重庆科技大学化学化工学院冯建教授团队在环境领域国际著名期刊《 Separation and Purification Technology 》（中科院 1 区 Top ， IF=8.6 ）发表了题为“ Treating waste with waste: Efficient separation of Ni(II) from wastewater by a waste-derived polyimide foam with rationally designed structure ”的论文。本研究以聚酰亚胺泡沫废料制备出一种新型吸附材料 PI-AC ，实现了废水中镍离子的高效分离和定向回收。采用 PI-AC 对真实电镀废水进行处理后，废水中的镍浓度远低于国家标准的排放限值。同时，对洗脱液进行重结晶即可获得高纯度的镍盐产品。本研究为聚酰亚胺高分子材料在环境领域的应用探索出一条新的途径。

引言

镍（ Ni ）是工业生产必需的重要金属之一，由于其毒性和生物累积能力，已被业界列为重点污染物。中国生态环境部规定工业废水中镍的最高允许排放浓度为 0.05 mg/L （ GB30484-2013 ）。电镀废水中通常含有较高含量的镍，将其从中分离回收既可以避免环境污染，又能够实现镍资源的循环利用，契合当下的“双碳”目标。近年来，吸附法因其操作工艺简单、无二次污染等优点被广泛应用于水体中重金属的处理。聚酰亚胺（ PI ）具有耐高温、耐酸、无毒、化学稳定性好和易于改性等特性，在航空航天、军事装备和电子电器等领域得到了广泛应用。与此同时，大量 PI 废料也随之产生。本文以 PI 泡沫废料为基体，通过化学改性合成了含有胺基和羧基的功能化 PI 泡沫（ PI-AC) 。 PI-AC 表面的配位环境可以通过改变羧基与胺基的比例来进行有效调控，从而实现对 Ni(II) 的分离回收。

图文导读

PI-AC 的制备

图 . 1 PI-AC 的合成过程。

图 . 2 羧基和胺基的摩尔比对吸附容量的影响。

材料表征

图 . 3 (a) FT-IR 谱图； (b 、 c) PI-AC 和 PI-AC-Ni 的 EDS 元素图谱； (d) XPS 光谱； (e) N ₂ 吸附 - 解吸等温线； (f) 孔径分布。

PI-AC 的吸附性能、吸附动力学和吸附等温线

图 . 4 (a-c) pH 值、接触时间和 Ni(II) 初始浓度对 PI-AC 吸附容量的影响； (d-f) 准一级、准二级和 Elovich 模型线性拟合； (g-i) 不同温度下（ 298 K 、 303 K 和 308 K ） Freundlich 、 Langmuir 和 Temkin 模型的拟合曲线。

PI-AC 的选择性研究

图 . 5 PI-AC 对废水中不同金属离子的吸附性能。

PI-AC 的动态吸附

图 . 6 (a) 5 次吸附解吸穿透曲线； (b ， c) Thomas and Adams-Bohart 模型拟合。

机理分析

图 . 7 (a) 改性前后 PI 对 Ni(II) 的吸附容量对比； (b) PI-AC 的 Zeta 电位分析； (c-f) PI-AC 的 C 1s 、 O 1s 、 N 1s 和 Ni 2p XPS 光谱。

图 . 8 (a) PI-AC 的优化结构以及 PI-AC 与 Ni ²⁺ 配合物的优化几何结构、结合能和键长； (b 、 c) PI-AC 和 PI-AC 与 Ni ²⁺ 配合物的分子表面静电势分布图； (d 、 e) PI-AC 和 PI-AC 与 Ni ²⁺ 配合物的 HOMO-LUMO 分子轨道能隙图； (f) 吸附机理示意图。

PI-AC 处理真实废水

图 . 9 (a) 固定床实验装置图； (b) 固定床处理低浓度含镍废水的吸附穿透曲线； (c, d) 固定床处理真实电镀废水。

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小结

本文利用 PI 泡沫废料成功制备出胺基 - 羧基功能化的 PI-AC ，并将其用于吸附分离废水中的 Ni(II) 。得出以下结论：

（ 1 ）证明了 PI 泡沫材料可用于从废水中分离去除 Ni ，实现了 “ 以废治废 ” 。

（ 2 ） PI-AC 的吸附性能可通过表面基团的比例进行调节，这为设计具有高效吸附性能的 PI 材料提供了新策略。

（ 3 ） PI-AC 吸附容量较高（ 222.59 mg/g ），动态吸附实验可以实现废水中 Ni 的零排放（ <0.001 mg/L ）。

（ 4 ）洗脱液可通过重结晶获得镍盐，实现镍的升级回收。

综上所述， PI-AC 具有制备工艺简单，吸附性能好，性能稳定等优点，是一种高效分离废水中 Ni(II) 的优良材料。

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作者简介

通讯作者冯建： 博士，教授，硕士研究生导师，天府英才，江苏省省级科技人才（科技副总），自贡市双千计划团队带头人，美国加州大学戴维斯分校国家公派访问学者，重庆科技大学有机化学学科方向带头人。主要从事化工新材料合成和环境工程等领域的基础与工程化应用研究，先后主持国家自然科学基金、重庆市自然科学基金等各类纵向及企业横向课题 30 余项，发表 SCI/EI 检索论文 70 余篇，授权发明专利 9 项，获中国化工学会科学技术二等奖 1 项、重庆市科技进步三等奖 1 项，与企业合作开发的相关产品已实现销售收入超过 1 亿元。

电子邮箱： jianfeng@cqust.edu.cn

通讯作者何春林： 博士，副教授，硕士研究生导师。主要从事稀贵金属综合利用、微波冶金、固废综合利用等方面的研究，先后主持国家自然科学基金 2 项、广西重大专项子课题 1 项、广西自然科学基金面上 1 项及横向课题 2 项，专利转化 1 项，发表论文 50 余篇，其中一作或通讯 SCI 论文 25 篇，授权发明专利和实用新型专利 12 项，获广西科技进步二等奖 1 项，广西科技发明奖 1 项，广西科技进步奖三等奖 1 项，与企业合作开发相关产品和工艺，实现产值 5 千万元。

电子邮箱： helink@gxu.edu.cn

第一作者陈虹妤： 重庆科技大学化学专业研究生。研究方向为聚酰亚胺基材料的合成及其在有色金属分离回收方面的应用。目前在期刊 Separation and Purification Technology ， Polymer 和 Microporous and Mesoporous Materials 上共发表论文 3 篇。

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