新型金屬氧化物納米材料的制備及其脫除水中典型有機(jī)污染物的研究.pdf

1、隨著全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重。目前，水污染已被稱(chēng)作“世界頭號(hào)殺手”，引發(fā)了一系列負(fù)面效應(yīng)。據(jù)報(bào)道，有機(jī)污染物是水體污染中最主要的污染物。染料廢水是目前導(dǎo)致水體污染的最重要的污染源之一，其不僅引發(fā)視覺(jué)污染，還直接導(dǎo)致有機(jī)生物體中毒、影響水生生物生存，而且可經(jīng)過(guò)生物積聚作用進(jìn)入人體、最終影響人類(lèi)健康。五氯酚(PCP)作為一種典型的有毒、難降解有機(jī)化合物，既是優(yōu)先污染物，也是持久性有機(jī)污染物。因此，對(duì)這兩種典型的水體有機(jī)污染物進(jìn)

2、行有效的處理，對(duì)于保護(hù)環(huán)境、維持生態(tài)平衡、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有非常重大的意義。
　　 近幾年的研究表明，處理水體中有機(jī)污染物的研究方法重點(diǎn)圍繞著吸附法和光催化氧化技術(shù)，這兩種方法分別作為物理脫除法和化學(xué)降解法而得到廣泛的關(guān)注和研究。然而，這兩種方法均存在一些問(wèn)題需要解決。
　　 吸附法目前面臨的一些挑戰(zhàn)主要有：吸附劑分散性差、吸附容量較小、回收困難，甚至造成二次污染；對(duì)吸附脫除水中污染物的吸附機(jī)理尚缺系統(tǒng)研究；關(guān)于吸附法脫

3、除水中重金屬污染的研究比較多，而針對(duì)于水中有機(jī)污染物的處理則開(kāi)展較少。因此，圍繞著分散性好、吸附速率快、吸附效果好、且回收容易的吸附劑的研究和開(kāi)發(fā)是目前吸附研究領(lǐng)域的重要方向。
　　 另一方面，光催化氧化技術(shù)也存在很多發(fā)展空間，例如：目前被廣泛使用的光催化劑如TiO2等只能吸收紫外線(xiàn)，且大多數(shù)光催化劑都是以納米顆粒組成的粉體為主，在使用過(guò)程中回收困難。因此，開(kāi)發(fā)具有可見(jiàn)光響應(yīng)型的新型金屬氧化物納米催化劑非常必要；通過(guò)改變催化劑的

4、形貌或物理性質(zhì)使得其能被有利于回收也值得思考。
　　 針對(duì)以上問(wèn)題，本課題在總結(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，制備了幾種新型金屬氧化物納米材料，表征了各納米材料的物理、化學(xué)性質(zhì)，并應(yīng)用物理吸附法和光催化氧化法脫除水中典型的有機(jī)污染物--亞甲基藍(lán)(MB)染料和五氯酚(PCP)。本論文以實(shí)驗(yàn)研究為主，結(jié)合理論探討，主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　 1.采用溶膠-凝膠法結(jié)合靜電紡絲技術(shù)合成了具有層狀結(jié)構(gòu)的赤鐵礦(α-Fe2O3)納

5、米結(jié)構(gòu)纖維，表征測(cè)試了其物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)，分析了層狀結(jié)構(gòu)的可能形成機(jī)理，考察了其在紫外光下催化降解亞甲基藍(lán)(MB)水溶液的催化性能。對(duì)于初始濃度為10mg/L、初始pH為5.3的MB溶液，加入50mg/L的α-FeO3纖維后可在紫外光下催化降解MB高達(dá)99.2％，比直接光照的降解效率提高了40.2%，且明顯優(yōu)于自制的α-Fe2O3納米粉體(降解效率為88.2%)及商業(yè)Fe2O3粉末(降解效率為80.5%)。同時(shí)，考察了各種實(shí)驗(yàn)條件(如MB

6、溶液的初始pH、MB溶液的初始濃度、無(wú)機(jī)陰離子、光照強(qiáng)度等)對(duì)降解效果的影響，從UV-vis圖譜和α-Fe2O3能帶結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度分析了α-Fe2O3纖維降解MB的機(jī)理。
　　 2.采用溶膠-凝膠結(jié)合靜電紡絲技術(shù)制備了具有三維蠕蟲(chóng)狀介孔結(jié)構(gòu)的Ce摻雜TiO2/SiO2復(fù)合納米結(jié)構(gòu)纖維，采用TG、FT-IR、XRD、SEM、TEM及uv-VisDRS等手段對(duì)其進(jìn)行了表征，探討了其在模擬太陽(yáng)光下催化降解MB水溶液的光催化性能。在最佳催

7、化條件下，即Ce摻雜量為0.2%、纖維投加量為100mg/L、pH=11時(shí)，初始濃度為2.5mg/L的MB溶液在模擬太陽(yáng)光下照射120min后，其光催化降解效率可達(dá)92.6%；無(wú)機(jī)陰離子NO3-、SO42-、Cl-的存在對(duì)MB的光催化降解效率均具有抑制作用。重復(fù)利用實(shí)驗(yàn)表明該催化劑具有良好的光催化穩(wěn)定性。通過(guò)H2O2和叔丁醇的影響研究，結(jié)合摻雜理論及相關(guān)參考文獻(xiàn)，分析和探討了Ce-TiO2/SiO2纖維光催化降解MB的機(jī)理。
　　

8、 3.利用溶劑熱法制備了殼聚糖修飾的四氧化三鐵(Fe3O4/CS)單分散磁性納米絨球，且對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試。比較了Fe3O4/CS與Fe3O4分別作為吸附劑、吸附脫除水中五氯酚(PCP)的效果，表明Fe3O4/CS吸附脫除PCP的優(yōu)越性：吸附過(guò)程在30min內(nèi)迅速實(shí)現(xiàn)了吸附平衡，PCP的脫除量高達(dá)91.5%。影響因素研究指出：Fe3O4/CS的最佳投加量為2.8g/L；當(dāng)pH=6.5時(shí)PCP的吸附量最高；鹽度對(duì)PCP的脫除影響不

9、大。吸附等溫線(xiàn)、吸附熱力學(xué)和吸附動(dòng)力學(xué)研究表明：Fe3O4/CS吸附脫除PCP的吸附過(guò)程是自發(fā)放熱過(guò)程，遵循Langmuir吸附模型和Lagergren二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。機(jī)理研究表明：Fe3O4/CS吸附脫除PCP的吸附過(guò)程很復(fù)雜，其吸附機(jī)理源于靜電力、氫鍵和π-π鍵的共同作用，且這些作用力的相對(duì)強(qiáng)弱取決于實(shí)驗(yàn)條件。
　　 4.采用高效、節(jié)能的微波一水熱法合成了Ag2CrO4納米結(jié)構(gòu)粉體。通過(guò)XRD、SEM及UV-Vis DRS等

10、手段表征了樣品的形貌和性質(zhì)。通過(guò)比較不同水熱pH條件下制備的Ag2CrO4對(duì)PCP的光催化降解效果，得出：于原始pH(即pH=9.5)條件下制備的Ag2CrO4在可見(jiàn)光下對(duì)PCP具有卓越的光催化降解活性，反應(yīng)60min后PCP已經(jīng)發(fā)生分解(直接光照對(duì)PCP幾乎沒(méi)有產(chǎn)生任何影響，P25在相同時(shí)間內(nèi)對(duì)PCP的光催化降解效率僅為17.7%)。同時(shí)，在反應(yīng)60min后TOC的降解效率達(dá)68.6%；當(dāng)催化反應(yīng)進(jìn)行到300min的時(shí)候，TOC的降解