壳聚糖模板法制备氧化锆纳米材料

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处理废水中染料在目前属于世界性的难题,染料污水不仅每年造成巨大的经济损失,而且还对人体健康、环境等造成巨大危害。寻找一种绿色、节能的治理方法以及制备高效、廉价的新型材料成为解决问题的关键。其中,壳聚糖作为一种自然存在的高分子聚合物,本身不会对环境造成污染,而且含有大量的氨基、羟基等官能团,在污水处理中拥有巨大潜力,但因为水溶性及自身较差的化学稳定性限制了其应用。与此同时,氧化锆作为一种化学惰性半导体材料,拥有出众的吸附及光学性能,在处理含染料污水问题中受到了广泛关注。  本论文采用壳聚糖模板法制备氧化锆壳聚糖复合物吸附剂及纳米磁性氧化锆光催化剂用于处理水中染料。通过对壳聚糖改性,提高壳聚糖水溶性及其吸附能力,以改性壳聚糖为模板,通过高分子架桥、絮凝以及化学沉淀等方法,制备磁性氧化锆羧甲基壳聚糖吸附材料,通过煅烧去除壳聚糖模板制备氧化锆光催化材料。同时使用微波水热法协同酶降解及双氧水降解壳聚糖,研究了壳聚糖模板分子量对制备纳米氧化锆光催化材料形貌的影响。并通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附-脱附法(BET)等方法对产物结构和性质进行了表征,对其形成机理进行了解释,并对其吸附和光学性能进行了测试。  实验结果表明,采用羧甲基改性后壳聚糖作为模板,复合四氧化三铁及氧化锆,制备的磁性氧化锆羧甲基壳聚糖对水中日落黄染料具有高效的吸附效果,在pH≤10之内保持较高的吸附量,吸附量可达143.2 mg/g,重复使用6次吸附量没有明显下降;煅烧去除模板后,得到的纳米磁性氧化锆对污水中日落黄及罗丹明B均具有良好的光催化效果,在太阳光下240 min对日落黄和罗丹明B的降解率分别达到84%和89%。  采用微波水热法,协同α淀粉酶和H2O2能高效地降解壳聚糖。研究了醋酸浓度、H2O2和α淀粉酶用量以及微波水热时间对壳聚糖降解的影响,并利用FTIR光谱对降解的壳聚糖进行了分析。结果显示,微波水热40℃反应40 min,即可使壳聚糖粘均分子量下降99.8%以上,而达到相同分子量用普通水热法则需约9 h,微波水热法大大提高了降解壳聚糖的效率,同时还没有破坏壳聚糖本身的结构。使用不同粘均分子量壳聚糖为模板制备的纳米氧化锆的形貌不断改变,随着壳聚糖粘均分子量的下降纳米氧化锆的形貌分别呈现为团聚状、纳米立方体和纳米片,与此同时,也呈现出更好的光催化活性。使用粘均分子量为3.1×107和2.4×104 Da的壳聚糖为模板制备的纳米氧化锆紫外光下120 min光催化降解效率分别64%和86%。
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