DOI: 10.1039/c9ew00834a
饮用水中的铀（U）污染通常会影响资源有限的社区，这对U6+处理提出了独特的技术挑战。在此，作者开发了一套化学功能化的聚合物（聚丙烯腈；PAN）纳米纤维，用于低压反应过滤应用中的U6+去除。将具有含氮或磷基（例如膦酸）官能团的粘合剂掺入（质量分数为1-3 wt％）用于静电纺丝的PAN溶胶凝胶中，制备功能化的纳米纤维垫。作为比较，我们还使用偕胺肟(AO)基功能化了PAN纳米纤维，这是一组公认的U6+摄取特异性的纳米纤维。对于最佳的N基（Aliquat®336或Aq）和含P的[十六烷基膦酸（HPDA）和双IJ2-乙基己基）磷酸酯（HDEHP）]结合剂，随后研究了它们在不同pH值（pH 2-7）、U6+浓度（高达10μM）和模拟使用点（POU）水处理的流动系统中去除U6+的应用。正如季铵基在离子交换中的应用所预期的那样，含Aq的材料似乎通过静电相互作用来隔离U6+；虽然这些材料的吸收是有限的，但在中性pH下，带正电荷的N基结合带负电荷的U6+复合物时，吸收量最大。相反，HDPA和HDEHP在代表矿井排水的酸性pH值下表现最佳，在该条件下，铀酰阳离子的表面络合可能会驱动吸收。AO的络合在所有pH值下均表现出最佳性能，尽管通过表面沉淀的U6+吸收也可能发生在接近中性pH值和高（10μM）溶解U6+浓度时。在使用无端过滤系统进行的模拟POU处理研究中，观察到AO-PAN系统中的U去除对地下水中的常见共溶质（例如硬度和碱度）不敏感。尽管还需更多的研究，但结果表明，仅需80克（约0.2磅）的AO-PAN过滤材料即可处理一个人一年的供水（污染程度为美国国家环保局最高铀污染水平的十倍）。
图1功能化PAN纳米纤维在pH 2（实心条）和pH 6.8（空心条）下吸收U6+的性能比较。在10μM U6+ 的初始浓度和0.25 g L-1的每个垫子之间平衡16小时后，显示了不同结合剂的吸收数据（在溶胶凝胶中显示了wt%）。实验在pH值为6.8的10 mM HEPES中进行，并用HNO3将水酸化至pH 2。
图2合成纳米纤维的代表性扫描电镜图像，其中材料名称中的数字对应于集成表面活性剂的wt%（在合适的地方）。还提供了比表面积（SA，m2 g-1）和孔隙体积（PV，cm3 g-1）的N2-BET测量结果。在可能的情况下，提供重复测量的平均偏差和标准偏差。NM表示“未测量”，因为制造的材料数量不足以进行SA或PV分析。对于一些表面活性剂功能化材料（例如，Aq），观察到少量的“毛发状”结构（见白色箭头），但数量不足以改变纳米纤维的直径分布。
图3在含2 wt％Aq、0.5 wt％HDPA或1 wt％HDEHP的（a）10μM和（b）1μM AO-PAN和PAN的初始U6+浓度下，吸附的U6+浓度与溶液pH的函数关系。所有材料均在无缓冲液的水中（用5 M NaOH或HNO3调节pH值）进行试验。垂直误差条反映了重复试验的标准偏差，而水平误差条代表了试验过程中的pH漂移范围（∼16 h）。所有实验均采用0.25 g L-1的纳米纤维质量负载。
图4在含2 wt％Aq、0.5 wt％HDPA或1 wt％HDEHP的AO-PAN和PAN处于平衡状态下，吸附的U6+浓度与溶液相U6+浓度的函数关系。在（a）用HNO3酸化至pH 2的水中对HDPA和含HDEHP的PAN测定的吸附等温线，或（b）在pH 6.8的10 mM HEPES中对含Aq和AO官能化的PAN测定的吸附等温线。给出了与模型拟合参数相吻合的Freundlich方程。数据来自于对每种材料分别进行的重复恒温试验。
图5 U6+的标准化浓度（出水浓度除以进水浓度）与使用（a）AO-PAN和（b）0.5 wt% HDPA功能化PAN在无端过滤装置中处理的体积的函数关系。除非另有说明，否则实验在10 mM HEPES（pH 6.8）中使用的进水浓度为1μM，流速为0.8 mL min-1（160 LMH）。对于AO-PAN，结果显示了不同质量（厚度）的过滤器（13和26 mg）、重复过滤器（1和2）和更复杂的溶液化学成份（500 mg L-1的Ca2+或HCO3-调节至pH 6.8）。对于HDPA功能化材料，展示了四个使用20 mg过滤器的重复实验（1到4）。
