PDA@COFs复合材料及其应用于CDI体系去除水中全氟辛酸的效能及机理

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水环境中广泛分布的全氟辛酸(PFOA)是一种新兴的持久性有机污染物,由于其潜在的生物蓄积性、毒理学特性以及环境持久性而对生态安全和人类健康构成了巨大的威胁。目前水中应用最广泛的PFOA去除技术主要是物理吸附,然而,传统的多孔材料如活性炭和树脂具有不可控的结构,对PFOA的吸附速率慢、吸附能力较低、且无选择性,极大地限制了它们在实际废水处理中的应用,亟需开发能够快速高效选择性吸附去除PFOA的新型吸附剂。由此,本文通过将聚多巴胺(PDA)与共价有机框架(COFs)材料复合,开发出具有高效、选择性吸附能力的PDA@COFs复合材料,考察其吸附去除水中PFOA的性能,阐明其构效关系,揭示其吸附机理并评价其循环利用性;进一步的,将PDA@COFs复合材料制备为电极并应用于电容去离子(CDI)体系,构建了基于PDA@COFs的PFOA去除技术体系,阐明了基于PDA@COFs电极的CDI体系电吸附去除PFOA的效能与机理。本文的主要研究成果如下:(1)本文通过溶剂热法制备出PDA@COFs复合材料,PDA@COFs的有序多孔结构在有利于吸附传质的同时为PDA的负载提供了更多的位点,而PDA的负载则引入了丰富的官能团,为PFOA的选择性吸附提供了优异的附着力和丰富的吸附位点,且提高了PDA@COFs的亲水性,有利于水和PFOA的快速扩散。(2)PDA@COFs复合材料对于水中的PFOA表现出快速的吸附动力学,仅在5分钟之内就可接近吸附平衡状态,且在20分钟的时间内能有效去除率85%的PFOA(5mg/L),其20分钟内的吸附容量分别是单纯COFs和PDA的6.91倍和6.05倍。此外,PDA@COFs对PFOA的最大饱和吸附容量为819.26mg/g(1.978mmol/g),PDA@COFs对PFOA具有快速的吸附动力学,同时还有较高的饱和吸附容量,这些均优于大多数已报道的PFOA吸附剂。(3)PDA@COFs复合材料对PFOA表现出良好的选择吸附性,PFOA主要在静电相互作用下被快速高效吸附去除,且氨基是PFOA的主要吸附位点。PDA@COFs复合材料具有良好的再生性能和循环利用性能,在实际应用方面具有较高的潜力。(4)基于PDA@COFs电极的CDI体系能够在90分钟的时间内能有效去除79.5%的PFOA(1mg/L),其吸附容量是活性炭电极的1.88倍,而酸性条件则更有利于PFOA的去除。CDI体系中吸附过程的转变表明了施加电压对吸附过程的影响,施加电压可以增强PDA@COFs对PFOA的吸附能力,且静电相互作用在吸附机理中占主导作用。(5)所制备的PDA@COFs电极易于进行电极的再生,具备良好的再生性能和可重复利用性能,且CDI体系中电极的再生无需额外的操作或添加任何试剂,节省了额外的运营成本,易于实现对废水中PFOA的富集回收,在经济高效去除水中PFOA的同时有利于对其进一步进行回收利用,符合绿色经济的发展要求。本文制备出具有高效选择性吸附作用的PDA@COFs复合材料,并将其应用于水中PFOA的去除,构建了基于PDA@COFs吸附剂的PFOA去除技术体系。为开发高效的新型PFOA吸附剂提供了新的思路和依据,为构建去除PFOA的CDI体系提供了理论支撑,对低耗高效去除水中全氟/多氟化合物具有重要的理论和现实意义。
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