一种双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜及其制备方法和应用

本发明属于废水处理的，尤其涉及一种双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、重金属污染在工业废水中尤为突出，特别是在机械制造、矿产冶炼、电镀、电子制造、炼油化工等领域，这些行业的生产过程涉及大量金属元素的使用和加工，成为了重金属离子排放的重要源头。各种重金属，如铬(cr)、铅(pb)、铜(cu)、镍(ni)等通过降水、灌溉以及地面渗透等各种形式进入到地下水从而导致地下水受到严重污染。此外，由于它们具有毒性大、难以生物降解和容易被生物累积等特点，对人类健康造成了巨大威胁，如加重肝脏负担，导致肝损伤或威尔逊病，严重者可致神经变性、肌肉萎缩硬化。根据资料显示，中国的废水日均排放量已超过了1亿立方米，超过50％的浅层地下水资源已低于水质分级的ⅳ级，无法作为饮用水源。因此，如何有效地处理这些废水、提高水质和用水效率以满足日益增长的用水需求是科研工作者亟待解决的核心问题。

2、目前，研究人员针对严峻的废水污染问题正不断地开发与改进废水处理技术，其主要包括生物技术(生物膜法、厌氧生物处理)，化学技术(中和氧化还原法、电解法)，物理技术(吸附、膜分离)等。与其他废水处理技术相比，膜分离技术具有能耗小、分离效率高等优点，被广泛应用于废水处理领域。

3、膜分离技术可以根据所使用的分离膜孔径的不同，分为微滤(mf)、超滤(uf)、纳滤(nf)、反渗透(ro)等。其中，孔径在0.1-10μm范围内的mf膜可截留溶液中的藻类、细菌及悬浮颗粒；在0.01-0.1μm范围内的uf膜能有效去除废水中的病毒、蛋白质、胶体等；在1-10nm的nf膜能对钙镁等离子、无机盐、小分子有机物进行分离；而孔径在0.1-1nm范围内的ro膜则可实现对重金属离子的截留。目前通常采用静电纺丝技术制备形貌和结构可调控的纳米纤维膜来处理。

4、专利公开号cn115591417a公开了一种可净化染料废水复合膜及其制备方法，可净化染料废水复合膜由氧化石墨烯和聚丙烯腈纤维组成；氧化石墨烯穿插在交错堆叠的聚丙烯腈纤维之间，形成三维网络支撑结构；可净化染料废水复合膜的孔隙率为18％～27％，水通量为330～850l/m2h，比表面积为15～400m2/g；制备方法为：将氧化石墨烯的无机分散液和聚丙烯腈溶液进行共轭静电纺丝，即得可净化染料废水复合膜。专利公开号cn112376166a公开了一种碳纳米管-改性聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法及应用，利用丙烯腈、2-亚甲基-4-苯基-1,3-二氧环戊烷、甲基丙烯酸硅烷酯、引发剂和溶剂，通过自由基聚合制得改性聚丙烯腈；随后采用静电纺丝法制备碳纳米管-改性聚丙烯腈纳米纤维膜。现有技术中虽然公开了一系列通过在纤维膜中掺杂氧化石墨烯、碳纳米管、氧化锌等无机纳米颗粒提升其吸附性能，但是其吸附量仍然较低，吸附性能有待进一步提升。

技术实现思路

1、针对静电纺丝纤维膜吸附性能差的技术问题，本发明提出一种双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜及其制备方法和应用，所制备纤维膜机械稳定性、内部孔隙率高，能够大幅度提升了吸附性能。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将壳聚糖和聚氧化乙烯溶解在溶剂ⅰ中配置壳聚糖/聚氧化乙烯共混液，通过静电纺丝工艺制备壳聚糖/聚氧化乙烯纤维膜；

5、(2)将β-环糊精和聚丙烯腈溶解在溶剂ⅱ中配置β-环糊精/聚丙烯腈共混液，通过静电纺丝工艺在壳聚糖/聚氧化乙烯纤维膜上制备β-环糊精/聚丙烯腈纤维膜，制得双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜。

6、所述步骤(1)中壳聚糖和聚氧化乙烯的质量比为(4：1)-(1：4)；优选的，质量比为4：1、3:2、2:3以及1:4。

7、所述壳聚糖/聚氧化乙烯共混液中溶质的总浓度为3-5wt％。

8、所述步骤(2)中β-环糊精和聚丙烯腈的质量比为(1：2)-(2：1)；优选的，质量比为1:1、1:2、2:1以及3:2。

9、所述β-环糊精/聚丙烯腈共混液中溶质的总浓度为10-12wt％。

10、所述溶剂ⅰ为乙酸溶液，优选的，乙酸溶液的浓度为70wt％；所述溶剂ⅱ为n，n-二甲基甲酰胺。

11、所述步骤(1)中静电纺丝工艺的参数为：工作电压为18-20kv，纺丝速度为1-1.5ml/h，接收距离10-12cm。所述步骤(2)中静电纺丝工艺的参数为：工作电压为14-16kv，纺丝速度为0.8-1.2ml/h，接收距离12-14cm。

12、采用戊二醛对步骤(2)制得的双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜进行交联改性处理。

13、一种双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜在废水处理中的应用。

14、本发明的有益效果：

15、(1)双层cs/peo/β-cd/pan纳米纤维膜，由于β-cd的特殊结构在纤维中形成微球，比表面积的增大提高了吸附性能，如对cu2+的最大吸附量为122.81mg/g，高于cs/peo纳米纤维膜对cu2+的最大吸附量106.36mg/g。

16、(2)本实验中cu2+溶液的吸附最佳浓度为700mg/l，cr溶液的最佳吸附浓度为55mg/l，cr6+溶液的最佳吸附浓度为150mg/l。吸附平衡时间120min。由动力学模型可知，双层结构纳米纤维膜的吸附行为符合准二级动力学，吸附过程以化学作用为主。

技术特征：

1.一种双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中壳聚糖和聚氧化乙烯的质量比为(4：1)-(1：4)。

3.根据权利要求2所述的双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖/聚氧化乙烯共混液中溶质的总浓度为3-5wt％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中β-环糊精和聚丙烯腈的质量比为(1：2)-(2：1)。

5.根据权利要求4所述的双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述β-环糊精/聚丙烯腈共混液中溶质的总浓度为10-12wt％。

6.根据权利要求1所述的双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述溶剂ⅰ为乙酸溶液；所述溶剂ⅱ为n，n-二甲基甲酰胺。

7.根据权利要求1所述的双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中静电纺丝工艺的参数为：工作电压为18-20kv，纺丝速度为1-1.5ml/h，接收距离10-12cm。所述步骤(2)中静电纺丝工艺的参数为：工作电压为14-16kv，纺丝速度为0.8-1.2ml/h，接收距离12-14cm。

8.根据权利要求1所述的双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，采用戊二醛对步骤(2)制得的双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜进行交联改性处理。

9.权利要求1-8任一项所述方法制备的双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜。

10.权利要求9所述双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β-环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜在废水处理中的应用。

技术总结本发明提出了一种双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β‑环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜及其制备方法和应用，属于废水处理的技术领域，用以解决静电纺丝纤维膜吸附性能差的技术问题。本发明双层纤维膜的制备方法包括以下步骤：(1)将壳聚糖和聚氧化乙烯溶解在溶剂Ⅰ中配置壳聚糖/聚氧化乙烯共混液，通过静电纺丝工艺制备壳聚糖/聚氧化乙烯纤维膜；(2)将β‑环糊精和聚丙烯腈溶解在溶剂Ⅱ中配置β‑环糊精/聚丙烯腈共混液，通过静电纺丝工艺在壳聚糖/聚氧化乙烯纤维膜上制备β‑环糊精/聚丙烯腈纤维膜，制得双层壳聚糖/聚氧化乙烯/β‑环糊精/聚丙烯腈纳米纤维膜。双层CS/PEO/β‑CD/PAN纳米纤维膜，由于β‑CD的特殊结构在纤维中形成微球，比表面积的增大提高了吸附性能，如对Cu<supgt;2+</supgt;的最大吸附量为122.81mg/g，高于CS/PEO纳米纤维膜对Cu<supgt;2+</supgt;的最大吸附量106.36mg/g。技术研发人员：杨海贞,李旭茹,杨红英,王一冰,马闯,梅硕受保护的技术使用者：中原工学院技术研发日：技术公布日：2024/12/2