近日，郑州大学菅宁歌副研究员团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Polyacrylonitrile nanofibrous mat modified with cysteamine and ionic liquid as a recyclable and efficient adsorbent for selective removal of sulfonamides and Cu(II) from aqueous solution: Roles of multi-function adsorption”。研究者通过静电纺丝和级联巯基-稀点击反应制备了新型聚丙烯腈纳米纤维膜（IL@Cys@PAN NFsM）。IL@Cys@PAN NFsM具有丰富的官能团，对磺胺类药物（SAs）和Cu(II)具有较强的结合亲和力、快速的传质和出色的选择性。
图1：IL@Cys@PAN NFsM合成过程示意图
PAN纳米纤维的平均直径约为200 nm（n = 40），且纤维表面光滑。经过Cys改性后，纤维呈现出明显的弯曲和缠结，表面粗糙度显著增加，平均直径增加至约447 nm（图1c和图1d）。进一步采用IL进行级联功能化后，IL@Cys@PAN NFsM的弯曲度进一步增加，部分纤维缠绕在一起，平均直径增大至约552 nm。此外，还观察到纤维断裂现象（图1e和图1f）。
图2：不同放大倍数的PAN NFsM （a、b）、Cys@PAN NFsM （c、d）和IL@Cys@PAN NFsM （e、f）的SEM图像和IL@Cys@PAN NFsM的EDS表征(g)。
通过系统吸附实验包括静态（一元和二元系统）和混合动态吸附实验考察了IL@Cys@PAN NFsM对SAs和Cu(II)的吸附性能。使用Langmuir、Freundlich、Temkin 和 Redlich–Peterson吸附等温线模型进行拟合。根据Langmuir等温线模型，单组分体系中IL@Cys@PAN NFsM对SAs和Cu(II)的最大吸附量分别为122.3和97.4 mg/g。在二元系统中，水中SAs和Cu（II）的共存会产生竞争吸附效应，但吸附容量下降不明显。吸附过程遵循伪二阶动力学模型，表明每种分析物以化学吸附为主。
作为一种整体材料，NFsM具有显著的可回收性和可重复使用性，经过3次再生和重复使用后，去除率超过83.9%。
通过理论计算阐明了分子水平的相互作用机制。结果表明，羰基和硫醚基团与Cu（II）表现出较强的配位性，而氢键、π-π作用和静电相互作用对SAs在IL@Cys@PAN NFsM上的保留起关键作用。
图2：理论计算：(a) SAs与Cys@PAN、(b) SAs与IL@Cys@PAN NFsM、(d) Cu（II）与Cys@PAN、(e) Cu（II）与IL@Cys@PAN NFsM的相互作用机理研究；(c) IL@Cys@PAN NFsM与磺胺苯甲酰的表面静电势分布图。
本文首次对NFsM对重金属和抗生素的同时吸附进行了系统研究，为设计定制吸附剂提供了新的视角。该吸附剂能够有效去除具有不同特性的多种污染物，同时兼顾生态友好性、优异的吸附性能和令人印象深刻的废水修复可回收性，为开发具有增强性能的吸附剂提供了一种新的方法。同时考虑了结构和功能方面，为未来在环境科学这一重要领域的研究奠定了重要的基础。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724085607
人物简介：
菅宁歌，博士，副研究员，郑州大学直聘研究员，硕士研究生导师。主要研究方向为面向环境污染物监测、食品安全分析的样品前处理新方法、高通量分子识别及快速检测新技术研究。5年中，发表包括CEJ在内的国际一流期刊上学术论文20余篇，主持国家自然科学项目1项、省厅级项目多项。申请和获得国家发明专利6项。
