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Enhanced removal of iodine from wastewater in the presence of two-step sulfo and amine functionalized polyvinylchloride

本研究展示了一种新型磺基和胺基功能化聚氯乙烯吸附剂的合成与表征，该吸附剂能有效去除废水中的放射性碘，其最大吸附容量达到 705 mg/g，且该过程最适合通过 Langmuir 等温吸附模型和准二级动力学模型进行描述。

原作者： Davronbek Bekchanov, Suyun Khushvaktov, Abdulla Saidov, Changhua An, Xintai Su, Peter Lieberzeit, Mukhtarjan Mukhamediev

发布于 2026-07-30

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CC BY 4.0

原作者： Davronbek Bekchanov, Suyun Khushvaktov, Abdulla Saidov, Changhua An, Xintai Su, Peter Lieberzeit, Mukhtarjan Mukhamediev

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，水处理的世界就像一座巨大而繁忙的城市，洁净的水是其生命线，但有时，危险的“幽灵”会溜进管道。这些幽灵是放射性碘原子，它们是隐形的麻烦制造者，可能会从医院和核设施中溜出，如果它们进入我们的饮用水或环境，就会威胁到人们的健康。为了捕捉这些幽灵，科学家们扮演着侦探的角色，使用一种被称为“吸附剂”的特殊网。不要把吸附剂仅仅看作一个简单的海绵，而要把它想象成一种高科技的魔术贴，或者是一个磁性陷阱，旨在抓取特定的坏蛋，同时让好人游走而过。挑战在于，如何让这些网既足够强壮以抓住滑溜溜的放射性碘，又足够便宜以进行大规模使用，并且可以重复使用，这样我们就不会用一次就扔掉。这是化学与环境保护相遇的科学领域，致力于构建一个更好、更智能的网，以守护我们的水质安全。

在这项研究中，一个研究小组决定利用一种非常常见的材料来制造一种全新的网：塑料。具体来说，他们采用了聚氯乙烯（PVC）——也就是制造管道和雨衣时使用的那种坚韧塑料——并赋予了它一次“魔力改造”。他们不仅仅是在表面涂层，而是对塑料的分子结构进行了两步走的“手术”。首先，他们添加了“磺酸基团”（可以将其想象成微小的、带有负电性的粘性磁铁），然后又附着了“胺基团”（它们充当正电性的钩子）。由此产生了一种被称为 PVC-(SO3H)-NH-PAM 的新材料，这是一种“两性离子聚合物”，本质上是一种皮肤内内置了正负陷阱的塑料海绵。

研究人员测试了这种新型“超级海绵”，以观察它捕捉三碘化物离子（废水中常见的一种碘形式）的效果如何。他们发现，这种改性塑料在工作中表现得极其出色。在实验中，它成功抓取了大量的碘——每克塑料竟然能抓取高达 705 毫克的碘。这就像是一颗小石子捕捉了一整桶弹珠。研究表明，当水质呈弱中性（pH 值在 6 到 7 之间）时，这种塑料的效果最好，就像是碘离子完美的舞伴。科学家们还发现，这种塑料并不只是静静地待在那里；它通过一种“化学握手”的方式主动抓取碘，这一过程比简单的表面粘附发生得更快、更彻底。

这个故事最酷的部分之一是，这种新网非常坚韧且可重复使用。研究人员让这种塑料经历了十轮捕捉碘的过程，并将其清洗干净以便再次使用。即使经过十个循环，它仍能捕捉到 90% 的碘，证明它不容易损坏。他们甚至在来自乌兹别克斯坦一家诊所的真实废水中进行了测试，那里的水中初始碘浓度很高（162 mg/L）。在使用这种塑料后，碘含量显著下降，使水质接近安全标准。这项研究表明，这种材料可以作为一种长期、环保的方案，用于清理医疗废水中的有毒碘，提供了一种将普通、廉价的塑料转化为守护我们水源的强大卫士的方法。

技术摘要：通过两步法磺化与胺化改性聚氯乙烯增强废水中的碘去除

问题陈述
来自医疗、消毒和核工业释放的放射性碘同位素（特别是 $^{129}\text{I}$ 和 $^{131}\text{I}$ ）构成了显著的环境和健康风险，包括甲状腺癌和代谢紊乱。虽然存在各种净化方法，如离子交换、吸附和膜分离，但许多现有的基于金属氧化物或金属有机框架（MOFs）的吸附剂成本高昂、稳定性差或难以合成。尽管聚合物基离子交换剂提供了更具成本效益的替代方案，但针对用于高效去除废水中放射性碘的改性聚氯乙烯（PVC）的具体应用研究尚未得到广泛开展。

研究方法
本研究重点介绍了一种新型两性离子吸附剂——PVC-(SO $_3$ H)-NH-PАМ 的合成与表征，该吸材通过对商业聚氯乙烯（品牌 I40-13A）进行两步改性而成。

合成：
- 第一步（磺化）： 将 PVC 与硫粉（质量比 2:1）在 433 K 下反应 6 小时，以引入硫化物和氢硫化物基团。随后使用硝酸进行氧化，从而形成磺化阳离子交换体（PVC-SO $_3$ H）。
- 第二步（胺化）： 将 PVC-SO $_3$ H 与聚乙烯聚胺（PEPA）的 70–80% 溶液在 423–433 K 下反应 5–6 小时，以引入胺基，最终得到该两性离子材料。
表征： 使用 FTIR、SEM-EDX、TGA、DSC、BET 和 BJH 表面分析法来确定其结构、形貌和物理化学性质。
吸附研究： 实验使用人工三碘化物 ( $\text{I}_3^-$ ) 溶液进行。动力学通过伪一级和伪二级模型进行评估。平衡数据拟合了 Langmuir 和 Freundlich 等温线模型。在 293 K、303 K 和 313 K 的温度下计算了热力学参数（ $\Delta G$ 、 $\Delta H$ 、 $\Delta S$ ）。
实际应用： 在柱层析中测试了该吸附剂的动态吸附性能，并进行了 10 次使用 NaOH 和 HCl 的吸附-解吸循环。最后，将其应用于含有 162 mg L $^{-1}$ 碘的乌兹别克斯坦某医疗诊所的真实废水中。

关键结果

反应动力学与活化能： 确定了磺化阳离子交换体的胺化反应对 PEPA 浓度的反应级数为 1.1。该改性的活化能计算约为 70 kJ/mol，低于直接用 PEPA 改性 PVC 所报道的 138.5 kJ/mol，这表明磺基促进了反应。
材料特性： 合成的两性离子材料具有介孔结构，BET 比表面积为 5.50 m $^2$ g $^{-1}$ ，孔径为 14.58 nm。FTIR 证实了存在磺基 (-SO $_3$ H) 和仲胺/叔胺基团。热分析表明，该材料在约 224°C 时开始分解，具有工业使用的稳定性。
吸附性能：
- 容量： 在 303 K 时， $\text{I}_3^-$ 离子的最大吸附容量 ( $q_{max}$ ) 为 705 mg g $^{-1}$ 。
- 等温线： 吸附数据最符合 Langmuir 模型 ( $R^2 = 0.9987$ )，表明在均匀表面上发生单层吸附。分离因子 ( $R_L$ ) 表明吸附过程是有利的。
- 动力学： 该过程遵循伪二级动力学模型 ( $R^2 > 0.999$ )，表明涉及通过吸附质与吸附剂之间的电子共享或交换产生的价键作用的化学吸附。
- 热力学： 正值的焓 ( $\Delta H = 56.4$ kJ mol $^{-1}$ ) 证实了该过程的吸热性质，而负值的吉布斯自由能 ( $\Delta G$ ) 则表明过程是自发的。
pH 依赖性： 最大吸附效率（>80%）出现在 pH 范围 6–7。在低 pH 条件下，吸附微乎其微；在高 pH 条件下，由于胺基去质子化，效率下降。
可重复性与实际应用： 该吸附剂在 10 次吸附-解吸循环中保持了高效率。在处理真实废水时，经过 10 个循环后，该材料将碘浓度从 162 mg L $^{-1}$ 降低到 42 mg L $^{-1}$ 以下，达到了世界卫生组织（WHO）的标准（40–50 mg L $^{-1}$ ）。

意义与主张
本文声称，合成的 PVC-(SO $_3$ H)-NH-PАМ 是去除医疗废水中有毒碘的一种可持续、环保且具有成本效益的解决方案。通过对一种广泛应用的工业聚合物（PVC）进行两步改性，作者展示了一种能够产生高容量吸附剂（705 mg g $^{-1}$ ）且具有优异可重复性的方法。研究强调，该两性离子材料的双官能团特性（同时含有阳离子和阴离子基团）促进了与碘物种有效的离子交换和配位结合。作者得出结论，该材料适用于医疗诊所废水中放射性碘的长期、有效净化，为昂贵或复杂的金属基吸附剂提供了一个实用的替代方案。

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