双功能电纺PAN-CNT/Fe2O3纳米复合膜：协同去除有机-离子污染物及实际灰水处理验证

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Dual-Functional Electrospun PAN-CNT/Fe?O? Nanocomposite Membranes: Synergistic Organic-Ionic Contaminant Removal and Real-World Greywater Treatment Validation

【编辑推荐】本研究针对灰水处理中传统材料选择性差、易污染等问题，开发了兼具π-π堆叠（CNT）和路易斯酸基配位（Fe2O3）双功能吸附机制的PAN纳米纤维膜。该膜在真实灰水验证中实现92.9% COD和95% NH4+同步高效去除，机械强度提升88%，且5年生命周期成本较传统GAC降低18%，为下一代水处理膜设计提供新范式。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，灰水（生活污水中污染程度较低的部分）回用成为缓解水危机的重要策略。然而，传统处理技术如活性污泥法和颗粒活性炭（GAC）存在明显局限：有机污染物去除效率仅60-70%，且GAC易发生孔道堵塞，再生后吸附容量下降30-50%。更棘手的是，灰水中的污染物具有多样性，既有有机分子（如洗涤剂、皮屑等），也有离子型污染物（如铵盐），而现有材料往往只能针对某一类污染物发挥作用，难以实现协同高效去除。这一瓶颈促使科学家将目光投向新型纳米材料。

在这一领域，电纺纳米纤维因其高孔隙率和可调控的表面化学特性展现出巨大潜力。其中，聚丙烯腈（PAN）基纳米纤维因其优异的机械强度（比传统纤维素乙酸酯膜高3-5倍）和与多种纳米添加剂（如碳材料、金属氧化物）的良好相容性而备受关注。碳纳米管（CNT）能够通过π-π堆叠作用高效捕获有机污染物，但对离子型污染物吸附能力较弱；相反，氧化铁（Fe₂O₃）纳米颗粒可通过路易斯酸基配位作用高效去除铵离子等污染物，但易团聚且机械性能较差。能否将二者的优势结合，创造一种“双功能”材料，成为研究的关键挑战。

为解决这一难题，研究团队开发了一种双功能电纺PAN-CNT/Fe₂O₃纳米复合膜。该研究通过巧妙的材料设计和工艺优化，成功将CNT的有机污染物去除能力与Fe₂O₃的离子吸附性能集成于单一材料中，实现了对灰水中多种污染物的协同高效去除。相关研究成果发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》上，为下一代水处理膜的设计提供了新思路。

关键技术方法

研究采用静电纺丝技术制备纳米纤维膜，通过优化PAN浓度（8-15 wt%）、电压（20 kV）和流速（0.2 mL/h）等参数控制纤维形貌。通过高强度超声（400 W, 2 h）结合超声浴（3 h）实现CNT和Fe₂O₃纳米颗粒在PAN基质中的均匀分散。使用场发射扫描电镜（FESEM）、透射电镜（TEM）分析纤维形貌和纳米粒子分布；通过BET法测定比表面积和孔径分布；利用X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征化学结构和相互作用机制；通过力学测试评估机械性能；采用批次吸附和动态过滤实验评估污染物去除性能，并使用25个来自伊朗亚兹德的真实灰水样品进行验证。

研究结果

形态与结构特性

研究表明，添加2 wt%的CNT可使PAN纤维平均直径从220±40 nm减小至180±20 nm，同时比表面积从105 m²/g显著增加至260 m²/g。这主要归因于CNT的加入提高了溶液电导率，增强了静电纺丝过程中的射流拉伸作用。TEM分析证实Fe₂O₃纳米颗粒（约30 nm）成功嵌入纤维内部，但当负载量超过2 wt%时会出现团聚现象。

机械性能提升

PAN-2%CNT复合材料表现出卓越的力学性能，拉伸强度达到126.2 MPa，比纯PAN提高了87.5%；杨氏模量提升至415.3 MPa，增幅达169.3%。这种增强效应源于CNT与PAN基质之间通过π-π堆叠实现的有效应力传递。相比之下，Fe₂O₃的加入对力学性能改善有限，且高负载量会导致团聚，引起应力集中。

吸附性能与动力学

在污染物去除方面，PAN-2%CNT对有机污染物表现出优异性能，对右旋糖酐的去除率在30分钟内达到90%，准二级动力学常数k₂=0.018 g/mg·min。这主要得益于CNT表面的π-π堆叠作用。而PAN-2%Fe₂O₃则对铵离子（NH₄⁺）具有高选择性，去除率达95%，最大吸附容量为58 mg/g，机制为Fe³⁺位点的静电吸引和配位作用。

实际灰水处理验证

使用25个真实灰水样品（COD：120-450 mg/L）进行的验证实验表明，双功能复合膜可同步高效去除多种污染物：COD去除率92.9%，BOD₅去除率95.1%，NH₄⁺-N去除率95.0%。同时，该膜表现出良好的抗污染性，在800 LMH通下连续运行24小时，跨膜压差仅增加<5 kPa，远低于GAC的22 kPa。

生命周期成本分析

尽管双功能膜的初始投资较高（18美元/m²，GAC为5美元/m²），但凭借其优异的抗污染性、长使用寿命和无需再生的特点，5年生命周期成本比GAC系统低18%，展现出良好的经济可行性。

研究结论与意义

该研究成功开发了一种兼具机械强度和吸附性能的双功能纳米纤维膜，突破了传统材料在灰水处理中的选择性限制。通过CNT和Fe₂O₃的协同作用，实现了对有机和离子污染物的同步高效去除。研究还挑战了传统认知，证明材料的吸附性能不仅取决于比表面积，更与纳米限域效应和特定分子相互作用密切相关。

这项工作的意义在于：首先，它提出了一种新的材料设计策略，通过精确控制纳米功能单元的整合，实现多功能协同；其次，研究通过真实灰水验证，架起了实验室研究与实际应用之间的桥梁；最后，生命周期成本分析证明了该技术的经济可行性，为其实际应用奠定了基础。该研究为开发下一代高效、经济、可持续的水处理技术提供了重要参考，特别是在水资源短缺地区具有广阔应用前景。未来研究可进一步优化纳米粒子分散性，拓展对新兴污染物（如PFAS、微塑料）的去除能力，并推动该技术向规模化应用发展。