[发明专利]在一种基于ZIF-8材料的复合纳米纤维吸附材料的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种基于ZIF‑8材料的复合纳米纤维吸附材料的制备方法及应用，该复合纤维吸附材料的制备方法，选用天然蚕丝纤维为载体，载体的前处理工艺简单；利用逐层生长法制备表面固载ZIF‑8纳米颗粒的复合纤维吸附材料，负载效率高；吸附使用前采用水化反应活化，能极大地提高反应速率。初步应用表明，所制备的基于金属有机骨架材料的复合纤维吸附材料，吸附量高，吸附速率快，易再生，固液分离步骤简便，能耗低，能较好地应用在饮用水的重金属吸附去除的实践中，具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体是一种基于ZIF-8材料的复合纳米纤维吸附材料的制备方法及应用。

背景技术

含砷化合物（砷酸及亚砷酸盐）是一类剧毒物质，长期暴露易引起急慢性中毒甚至死亡。国际癌症研究组织（IARC）以及美国环保署（USEPA）都将含砷化合物列为A级致癌物。根据国际水协会（IWA）统计，全世界范围内有2.2亿人处在砷暴露的环境中，中国约有2000万人受此影响。为了避免砷暴露对人的伤害，最关键的措施是预防饮用水引起的砷中毒。

为了去除饮用水中的含砷化合物，起初主要应用活性炭、多孔氧化铝、多孔氧化铁等多孔材料强化吸附去除效率。后来，考虑到饮用水中的含砷化合物多为微量、甚至痕量砷，为了提高对微量污染物的吸附效率，越来越多的纳米多孔材料被不断研发出来。其中，金属有机框架材料（MOFs）是其中热度最高，也最具有应用潜力的纳米多孔材料之一，因为其具有化学及热稳定性、多孔性、以及空间结构可调节性。

MOFs材料的种类多达数百、甚至上千种，按大类可分为ZIFs系列，MILs系列，HKUST系列等诸多种类。ZIFs材料统称类沸石框架材料，以水热稳定性好而著称。其中，ZIF-8材料是目前公认的水热稳定性最好的纳米多孔材料，自2012年以来，ZIF-8材料先后被用于有机物、重金属等多种污染物的吸附去除，但是始终无法大规模的应用，其重要原因有两点：第一，ZIF-8材料是粉体材料，固液分离困难，使用不便。如果采用静态吸附方式，则材料易流失，采用离心分离时能耗过高。如果用作动态吸附柱过滤，则会产生较高的水头损失，且过滤速度慢、产水率低。第二，反应速率慢，Li等人（Zeolitic imidazolate framework-8with high efficiency in trace arsenate adsorption and removal from water）采用ZIF-8吸附饮用水中的五价砷酸盐时发现吸附平衡时间大学需要12h，意味着在实际应用中需要保证12小时以上的水力停留时间，池容超过数万立方，这是显然无法满足的。

为了解决粉体材料在使用时的固液分离难题，国内外的研究团队都从不同方向进行了尝试。Song等人（Zeolitic imidazolate framework (ZIF-8) based polymernanocomposite membranes for gas separation）将预先制备的ZIF-8与聚合物溶液混合，通过铸膜方法制备ZIF-8复合膜；Wu等人（Electrospun fibrous mats as skeletons toproduce free-standing MOF membranes）将ZIF-8晶粒掺杂在电纺丝纤维母液中，通过电纺丝技术制备了复合纤维膜；但是以上方法均是将ZIF-8分散在纤维中，损失了ZIF-8纳米颗粒的比表面积，会降低其活性与吸附能力。另一种方法是将ZIF-8固载在载体的表面，如Pan等（Effective separation of propylene/propane binary mixtures by ZIF-8membranes）使用多孔铝箔作为支撑体，Yao等人（Contra-diffusion synthesis of ZIF-8films on a polymer substrate）选尼龙材料做载体，但是操作工艺十分复杂，涉及晶种修饰，单原子层活化等预处理步骤。

因此，研究能够高效、便捷地在表面固载ZIF-8纳米颗粒的复合纤维材料，简化固液分离效率，提高吸附速率是推动相关新型功能材料工业化生产及应用的一种迫切需要。

发明内容