DOI: 10.1016/j.cej.2023.142723

高效、选择性吸附/去除Cs+对于资源利用和放射性污染控制至关重要。为了克服普鲁士蓝（PB）水稳定性差的问题，利用PB负载PAN纳米纤维制备了一种高选择性的Cs⁺吸附剂——PB基聚丙烯腈（PAN）气凝胶。通过静电纺丝在PAN纳米纤维中预掺杂Fe³⁺，为PB的原位生长提供了丰富且均匀分布的活性位点，从而使所得的PAN/PB气凝胶具有比报道的PB基复合吸附剂高得多的PB负载能力。系统的结构表征和性能研究表明，所制备的PAN/PB气凝胶具有互连的多孔结构、超轻的密度、大大提高的水稳定性、增强的热稳定性、强大的机械弹性、较高的亲水性和优异的Cs⁺吸附选择性。该气凝胶在高效、快速和选择性吸附/去除模拟海水和盐湖卤水中的Cs+方面的优异性能充分证明了其实际应用潜力。PAN/PB气凝胶在1分钟内对Cs⁺的最大吸附量达到152.67mg/g。在这项工作中，PAN纳米纤维中的共纺活性基团（如Fe³⁺）被证明是提高气凝胶PB负载量的有效策略，这不仅提供了一种优异的Cs+吸附剂，而且为制备高性能气凝胶铺平了一条道路。

图1.PAN/PB气凝胶的制备。（a）PAN/PB气凝胶的两种制备方法。（b）PAN、PAN/Fe和PAN/PB气凝胶的照片。通过方法1制备的PAN/PB气凝胶。（c）不同形状的PAN/PB气凝胶。（d）用剪刀分割前后的PAN/PB-75和PAN/PB-75A气凝胶。（e）PAN/PB-75和PAN/PB-75A气凝胶中PB负载量随生长时间的变化。

图2.PAN/PB气凝胶的表征。（a-d）（a）PB NPs、（b）PAN气凝胶、（c）PAN/Fe-75气凝胶和（d）PAN/PB-75气凝胶的SEM图像。（e-h）（e）PB NPs、（f）PAN气凝胶、（g）PAN/Fe-75气凝胶和（h）PAN/PB-75气凝胶的TEM图像。（e）和（h）的插图中的亮点分别描述了PB NPs和PAN/PB气凝胶的倒易晶格。（i,j）（i）PAN/Fe-75气凝胶和（j）PAN/PB-75气凝胶的SEM-EDX元素映射图像。（k）PAN、PAN/Fe-75和PAN/PB-75气凝胶的XPS光谱。（l）（顶部）PAN/Fe-75和（底部）PAN/PB-75气凝胶的Fe2p XPS光谱。（m）PB NPs、PAN气凝胶、PAN/Fe-75气凝胶和PAN/PB-75气凝胶的FT-IR光谱、（n）N2吸附和解吸等温线、（o）孔径分布和（p）PXRD图谱。

图3.（a）具有不同Fe³⁺负载量的PAN/Fe和PAN/PB气凝胶的体积密度。（b）立在蒲公英上的PAN/PB-75气凝胶的照片。（c）PAN/PB-75气凝胶压缩释放过程的照片。（d）PAN/PB-75气凝胶在20%至80%的最大压缩应变下的连续应力-应变曲线。（e）PAN/PB-75气凝胶在40%应变下经5次压缩循环的应力-应变曲线。（f）不同PAN/PB气凝胶在水中浸泡和涡旋10分钟的照片。

图4.PAN/PB气凝胶对Cs⁺的吸附和去除。（a）不同气凝胶的Cs⁺去除效率。（b）PAN/PB-75气凝胶在不同pH条件下的Cs⁺去除效率。（c）PAN/PB-75气凝胶去除Cs⁺的吸附时间依赖性。（d）PAN/PB-75在含有不同浓度Cs⁺的溶液中的平衡吸收容量。（e）PAN/PB-75气凝胶吸附Cs⁺前后的XPS光谱。（f）PAN/PB-75气凝胶吸附Cs⁺后的Cs3d XPS光谱。（g,h）PAN/PB-75气凝胶（g）吸附Cs+之前和（h）之后的SEM-EDX元素映射图像。（i）PAN/PB-75气凝胶对混合物中金属离子的去除率。Al³⁺、Ca²⁺、Fe³⁺、K⁺、N^a+：500ppm；Cs⁺和其他：10ppm。

图5.（a）以0.1M NH4Cl（pH=2.0）为洗脱液，PAN/PB-75气凝胶中Cs⁺的时间依赖性洗脱效率（Ee%）。（b）PAN/PB气凝胶在5个吸附-解吸循环中的Cs⁺吸附和洗脱效率。（c）PAN/PB-75气凝胶对水溶液、模拟海水和模拟盐水中Cs⁺的去除效率。（d）从模拟海水中动态去除Cs⁺的示意图。（e）Cs+动态去除曲线。

图6.（a）PAN/PB-75气凝胶中PB对Cs⁺的吸附以及Cs⁺、K⁺和Na⁺的水合离子半径说明。（b）PAN/PB-75气凝胶与其他报道的基于PB或PB类似物的吸附剂在不同相比下的最大Cs⁺吸收容量比较。