PAN基活性炭纤维可有效吸附硝酸根离子污染物

由于人类活动而释放到水体中的硝酸根离子会对水生和陆地生态系统产生不利影响。用于处理水污染的常规吸附材料不能去除硝酸盐。为了解决这个问题，日本千叶大学的研究人员生产了新型聚丙烯腈基碳纤维，当用碳酸钠活化并进行热处理时，可以表现出优异的硝酸盐吸附性能。

硝酸根离子是城市废物处理系统、农业径流和牲畜废物产生的常见污染物。虽然硝酸盐是肥料的重要组成部分，也是种植食物所必需的，但如果未经适当处理就在我们的生态系统中循环，硝酸盐可能是有害的。例如，它可以导致水体中的藻类大量繁殖，从而减少水中的溶解氧量，对水生生物构成威胁。硝酸根离子还与婴儿的血液病和成人的消化系统癌症有关。因此，从我们的生态系统中去除硝酸根离子的简单且经济高效的方法至关重要。

多年来，研究人员尝试并测试了几种可以通过吸附去除硝酸根离子的材料。一种流行的方法是使用吸附材料，例如活性碳纤维(ACF)。ACF的多孔结构可以引入各种官能团，可以根据吸附要求进行选择。它们也很容易回收和再利用。不幸的是，ACF存在一些阻碍其应用的缺点。

领导硝酸根离子去除研究的日本千叶大学的MotoiMachida教授阐明了所面临的问题。“像活性炭这样的碳质材料通常用带负电荷的官能团进行功能​​化，例如羧基、羰基或苯酚，它们对带正电荷的离子和有机污染物表现出优异的吸附性能，但对无机带负电荷的离子无效，”他解释道。“因此，我们想开发一种耐用的ACF基材料，可以有效吸附硝酸根离子并保持多种用途的吸附能力。”

在2022年10月10日在线发布并于2022年10月22日发表在SNAppliedSciences上的最新突破中，Machida教授与千叶大学的NatsuhoSato女士和YoshimasaAmano副教授一起设计了碳酸钠活化的聚丙烯腈(PAN)基ACF，具有高氮含量，用于去除硝酸根离子。为了提高PAN-ACF的吸附性能，该团队在800°C下用碳酸钠将其活化。他们进一步在950°C下对纤维进行热处理，这降低了氮含量，但增加了季氮(NQ)的数量，季氮是一种能够吸附硝酸盐的带正电荷的官能团。

在制备过程之后，该团队进行了测试以分析材料的硝酸根离子吸附动力学。结果表明，热处理通过消除排斥硝酸盐的官能团(例如–COOH和–COO–)来增加硝酸盐吸附能力。PAN-ACF材料表现出优异的吸附性能，从水中的吸附能力为0.5mmol/g硝酸根离子。

该团队还在不同的储存条件下进行了长期降解研究，以找出最佳的材料储存方式，以获得最佳的再利用效果。他们发现将ACF保存在盐酸溶液中或真空中可以使它们保持稳定。吸附容量和降解研究表明，该材料在4-5的pH值下表现出一致的吸附率，这是一个令人鼓舞的发现，因为4-5是地下水的pH值范围。

Machida教授补充说：“我们的新型坚固材料可以承受沸水、强酸和强碱溶液的处理，因此仍然很容易再生，吸附能力损失最小。”

总的来说，该研究中提出的新型PAN-ACF不仅可以通过去除有害的硝酸根离子来处理环境水，还可以通过用更环保的活性炭离子交换树脂代替它们来帮助减少对传统塑料离子交换树脂的依赖去除剂。

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