功能化磁性壳聚糖高效吸附水中多种全氟及多氟烷基化合物

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全氟及多氟烷基化合物(Per-and polyfluoroalkyl substances,PFAS)具有优异的物化性能,在生产和生活的各个领域广泛应用,但普遍具有持久性、生物累积性和潜在生物毒性,长期应用已造成全球范围内水环境的污染。虽然全氟辛基磺酸(Perfluorooctanesulfonic acid,PFOS)和全氟辛酸(Perfluorooctanoic acid,PFOA)作为典型PFAS已经逐步退出市场,但一些短链和新型PFAS的广泛应用也引起了人们的担忧。壳聚糖(CS)作为一种少有的在水中携带正电荷的生物聚合物,来源广泛、价格低廉且绿色无毒,相关研究表明CS基吸附剂对PFOS和PFOA具有良好的吸附亲和力,但对于碳链较短的PFAS吸附性能有限。因此,我们对CS进行季铵化改性用以提高CS基吸附剂对包括短链PFAS在内的多种PFAS的吸附能力。本研究将季铵化壳聚糖(QCS)与戊二醛进行交联并与Fe3O4颗粒复合制备了磁性季铵化壳聚糖(MQCS)作为CS基吸附剂,系统的表征了MQCS的物化特性。与磁性壳聚糖(MCS)相比,季铵基团是MQCS的特征官能团。MQCS具有不规则的片状结构和较少的孔结构,在水中主要携带正电荷且不受p H的影响,磁性性能稳定,在磁场作用下能轻易的从水中分离回收。与传统的吸附剂颗粒活性炭(GAC)相比,MQCS对PFAS具有更快的吸附速率,传质机理结果表明边界层扩散是其主要的限速步骤。等温线研究显示,相比于MCS,MQCS对短链的全氟丁基磺酸(Perfluorobutanesulfonic acid,PFBS)和全氟丁酸(Perfluorobutyric acid,PFBA)表现出更高的吸附亲和力,表明季铵化壳聚糖有效的提高了壳聚糖对短链PFAS的吸附能力。在较宽的p H范围内(p H 5—9),MQCS对PFAS的吸附不受p H的影响。结合吸附前后MQCS的X射线光电能谱分析(XPS)结果,证实MQCS主要以静电相互作用和离子交换来吸附PFAS,其中的季铵基团是其主要吸附位点。在混合溶质条件下,MQCS对四种PFAS(PFBA、PFBS、PFOA和PFOS)均具有较高的吸附速率。进一步考察了背景基质对吸附的影响,结果发现,腐殖酸对MQCS去除PFAS几乎没有影响,常见阴离子对吸附影响大小顺序为SO42->Cl->NO3-。此外,在环境相关浓度条件下(1μg·L-1),MQCS对37种PFAS,包括全氟烷基磺酸(Perfluoroalkyl sulfonic acid,PFSA)、全氟烷基羧酸(Perfluoroalkyl carboxylic acid,PFCA)、新型PFAS和PFAS前体,都具有良好的亲和力和去除能力。进一步对MQCS进行5次的循环再生吸附,对37种PFAS的仍能保持良好的去除效果,表明利用MQCS来去除水环境中多种PFAS具有良好的应用前景。
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