基于聚苯胺功能化的废棉纺织品的纳米系统，用于同时去除染料废水中的活性亮红X-3B和六价铬（Cr(VI)）

《Separation and Purification Technology》：Polyaniline functionalized waste cotton textile-based nanosystem for simultaneous removal of reactive brilliant red X-3B and Cr(VI) in dyeing wastewater

基于废弃棉布合成的聚苯胺功能材料（WCF/PANI）可同步高效去除废水中的偶氮染料RBR（99.5%）和重金属Cr(VI)（98%），其稳定性涵盖20-50℃和pH3-7范围，且受共存离子影响小。DFT计算表明质子化-NH2基团对吸附Cr(VI)和RBR具有显著促进作用，盆栽实验证实该材料能有效缓解重金属及染料对植物的毒性。该研究实现了废弃纺织品资源化与重金属染料同步去除的创新方案。

　　

Xianghai Kong | Mengying Zheng | Jianqiao Xu | Yihang Sun | Qingchuan Wu | Dongfang Wang

东华大学环境科学与工程学院，中国上海201620

摘要

六价铬（Cr(VI)）和活性艳红X-3B（RBR）通常同时存在于染色废水中，这种类型的化合物污染难以处理。在本研究中，利用废弃棉织物（WCF）作为载体，通过化学氧化聚合成功合成了一种聚苯胺（PANI）功能化织物基材料（WCF/PANI）。WCF/PANI在去除RBR（99.5%）和Cr(VI)（98%）方面表现出高效。值得注意的是，WCF/PANI在广泛的温度范围（20–50°C）和pH值范围（3–7）内对这两种污染物的去除效率保持稳定。同时，其去除RBR和Cr(VI)的性能受共存离子的影响较小。其中，RBR通过氢键作用被去除，而Cr(VI)则通过氢键作用和还原过程被去除。密度泛函理论计算证实，质子化的-NH₂有助于Cr(VI)和RBR的吸附。盆栽实验表明，WCF/PANI可以减轻RBR和Cr(VI)的有害影响。因此，本研究为同时去除废水中的RBR和Cr(VI)提供了一种新方法，并促进了WCF的二次利用，具有很高的应用价值。

引言

服装行业的快速发展导致印染废水和废弃纺织品的产生量显著增加[1]、[2]、[3]。据统计，30%的含染料和重金属的染色废水未经处理就被排放[4]。同时，全球每年产生的废弃纺织品超过9200万吨，其中大部分被填埋或焚烧[5]、[6]。染色废水的排放和废弃纺织品的焚烧造成了严重的资源浪费和环境污染。

偶氮染料占所有染料的60%以上[7]。活性艳红X-3B（RBR）是一种常见的偶氮染料，排放到水中后难以生物降解[8]。此外，RBR中的芳香胺被认为对人体具有致癌性[7]、[9]。六价铬（Cr(VI)）通常用作媒染剂，因此染色废水中含有过量的Cr(VI)[8]。由于其高氧化能力和跨细胞膜扩散能力，Cr(VI)对生物体具有致癌性和致突变性[10]、[11]、[12]。

目前，吸附被认为是去除废水中RBR和Cr(VI)的一种低成本、有效且经济的方法[13]。例如，Cai等人[14]制备了一种基于碳布的FeS纳米系统用于去除Cr(VI)（去除率为96%）。Yu等人[15]利用功能化壳聚糖从废水中去除RBR，其最大吸附容量为880.8 mg/g。然而，上述方法只能实现单一污染物的吸附。Li等人[16]使用细菌纤维素/壳聚糖复合气凝胶修饰了沸石咪唑啉骨架-67。这种新型吸附剂对RBR和Cr(VI)的去除效率非常高，但存在成本高和制备复杂的缺点。因此，迫切需要一种高效、廉价且环保的吸附材料。聚苯胺（PANI）是一种典型的导电聚合物，具有优异的电导率、无毒性和环境稳定性，合成简便且成本低廉[17]。PANI由于其胺类电子给体基团的螯合作用、多孔结构以及苯环和醌环的共存和导电性，具有促进RBR和Cr(VI)去除的潜力[18]、[19]、[20]、[21]。然而，PANI容易聚集，因此改善其分散性具有重要意义[18]、[22]。

为了解决这些问题，使用废弃棉织物（WCF）作为载体负载PANI。WCF具有高孔隙率、柔韧性和层状网络结构，有效促进了PANI的固定[23]、[24]。因此，我们假设PANI可以在WCF上原位聚合形成稳定的复合材料（WCF/PANI）。PANI的氢键能力和强还原性之间的协同作用有助于高效去除水溶液中的RBR和Cr(VI)。本研究的目的是：（1）实现WCF/PANI同时高效去除RBR和Cr(VI)；（2）揭示WCF/PANI、RBR和Cr(VI)之间的相互作用机制；（3）为WCF的资源利用提供一种新方法。

材料

WCF购自中国绍兴的Xi Mo纺织有限公司。活性艳红X-3B（≥85%）由中国上海的Yuanye生物技术有限公司提供。其他试剂的详细信息见文本S1。

表征

使用扫描电子显微镜（SEM，Sirion 200，FEI，美国）观察了材料的形态和元素分布。傅里叶变换红外光谱仪（FTIR，iS10，Nicolet，美国）和TTRIII X射线衍射仪分析了官能团和结构。

WCF/PANI系统的形态和结构特性

使用扫描电子显微镜（SEM）初步表征了WCF/PANI系统的形态。WCF由许多表面光滑的微纤维组成（图1a和b）。图1c和d显示大量PANI分布在WCF表面，表明负载成功。图1f表明N元素在WCF/PANI表面均匀分布，表明PANI可以在WCF表面均匀聚合。

傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）

结论

本研究通过氧化聚合成功合成了WCF/PANI，该材料能有效同时去除RBR和Cr(VI)。结果表明，PANI主要通过-NH₂的还原作用去除Cr(VI)，通过氢键作用去除RBR。此外，密度泛函理论计算证实，质子化的-NH₂有助于RBR和Cr(VI)的吸附。盆栽实验表明，WCF/PANI可以有效减轻RBR和Cr(VI)对水生生物的生长毒性。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了安徽省生态与环境厅（2025hb006）、中央高校基本科研业务费（2232024D-17）、国家自然科学基金（52000025）以及安徽省重大科技计划（202203a06020001）的支持。