由于人類活動而釋放到水體中的硝酸根離子會對水生和陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。用于處理水污染的常規(guī)吸附材料不能去除硝酸鹽。為了解決這個問題，日本千葉大學(xué)的研究人員生產(chǎn)了新型聚丙烯腈基碳纖維，當用碳酸鈉活化并進行熱處理時，可以表現(xiàn)出優(yōu)異的硝酸鹽吸附性能。
硝酸根離子是城市廢物處理系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)徑流和牲畜廢物產(chǎn)生的常見污染物。雖然硝酸鹽是肥料的重要組成部分，也是種植食物所必需的，但如果未經(jīng)適當處理就在我們的生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)，硝酸鹽可能是有害的。例如，它可以導(dǎo)致水體中的藻類大量繁殖，從而減少水中的溶解氧量，對水生生物構(gòu)成威脅。硝酸根離子還與嬰兒的血液病和成人的消化系統(tǒng)癌癥有關(guān)。因此，從我們的生態(tài)系統(tǒng)中去除硝酸根離子的簡單且經(jīng)濟高效的方法至關(guān)重要。
多年來，研究人員嘗試并測試了幾種可以通過吸附去除硝酸根離子的材料。一種流行的方法是使用吸附材料，例如活性碳纖維(ACF)。ACF的多孔結(jié)構(gòu)可以引入各種官能團，可以根據(jù)吸附要求進行選擇。它們也很容易回收和再利用。不幸的是，ACF存在一些阻礙其應(yīng)用的缺點。
領(lǐng)導(dǎo)硝酸根離子去除研究的日本千葉大學(xué)的MotoiMachida教授闡明了所面臨的問題。“像活性炭這樣的碳質(zhì)材料通常用帶負電荷的官能團進行功能??化，例如羧基、羰基或苯酚，它們對帶正電荷的離子和有機污染物表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能，但對無機帶負電荷的離子無效，”他解釋道。“因此，我們想開發(fā)一種耐用的ACF基材料，可以有效吸附硝酸根離子并保持多種用途的吸附能力。”
在2022年10月10日在線發(fā)布并于2022年10月22日發(fā)表在SNAppliedSciences上的最新突破中，Machida教授與千葉大學(xué)的NatsuhoSato女士和YoshimasaAmano副教授一起設(shè)計了碳酸鈉活化的聚丙烯腈(PAN)基ACF，具有高氮含量，用于去除硝酸根離子。為了提高PAN-ACF的吸附性能，該團隊在800°C下用碳酸鈉將其活化。他們進一步在950°C下對纖維進行熱處理，這降低了氮含量，但增加了季氮(NQ)的數(shù)量，季氮是一種能夠吸附硝酸鹽的帶正電荷的官能團。
在制備過程之后，該團隊進行了測試以分析材料的硝酸根離子吸附動力學(xué)。結(jié)果表明，熱處理通過消除排斥硝酸鹽的官能團(例如–COOH和–COO–)來增加硝酸鹽吸附能力。PAN-ACF材料表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能，從水中的吸附能力為0.5mmol/g硝酸根離子。
該團隊還在不同的儲存條件下進行了長期降解研究，以找出最佳的材料儲存方式，以獲得最佳的再利用效果。他們發(fā)現(xiàn)將ACF保存在鹽酸溶液中或真空中可以使它們保持穩(wěn)定。吸附容量和降解研究表明，該材料在4-5的pH值下表現(xiàn)出一致的吸附率，這是一個令人鼓舞的發(fā)現(xiàn)，因為4-5是地下水的pH值范圍。
Machida教授補充說：“我們的新型堅固材料可以承受沸水、強酸和強堿溶液的處理，因此仍然很容易再生，吸附能力損失最小。”
總的來說，該研究中提出的新型PAN-ACF不僅可以通過去除有害的硝酸根離子來處理環(huán)境水，還可以通過用更環(huán)保的活性炭離子交換樹脂代替它們來幫助減少對傳統(tǒng)塑料離子交換樹脂的依賴去除劑。
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