聚合物纤维膜负载氧化锌材料的制备及其光催化性能研究

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jfsagskalg
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
纺织工业是我国国民经济的传统支柱产业和重要的民生产业,新科学新技术在纺织领域的应用促进了纺织行业的技术进步,然而,纺织染整过程中产生巨量印染废水排放,不可避免地带来严重的环境污染问题,威胁着人类健康,制约了我国生态、经济、社会的可持续发展。开发绿色、环保、高效和可持续的材料吸附、降解印染废水成为当前环保领域一个亟待解决的重要问题。  ZnO是一种优异的半导体氧化物,它不仅具有防污和抗菌性能,而且对印染废水中的有机污染物具有良好的光降解活性。然而,由于ZnO较大的表面积和较高的表面能,ZnO纳米粒子极易团聚导致其光催化性能降低,而且还存在处理完废水后无法高效回收的缺陷。因此,选择合适的载体负载ZnO纳米粒子显得尤为关键。本文旨在探索一种产率高、结构稳定、催化降解效果好的聚合物纤维膜负载的氧化锌光催化材料的制备方法,优化负载氧化锌光催化材料的制备工艺条件,探讨聚合物纤维膜/氧化锌光催化材料的结构及其形成机理;对比研究氧化锌形貌及尺寸效应对光催化材料结构与性能的影响,探讨光催化性能的影响机制及其对染料的降解机理。本论文主要开展了以下工作并得到相关结论:  (1)以静电纺丝制得的聚丙烯腈(PAN)/ZnCl2复合纳米纤维膜为模板,通过反复交替热冷浸渍法和单次交替热冷浸渍法制备了具有不同ZnO形貌的聚丙烯腈/氧化锌复合纳米纤维膜。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)分析、热重分析(TGA)和紫外-可见(UV-Vis)光谱研究了不同PAN/ZnCl2比例和不同浸渍方法对纳米纤维膜形貌、微观结构和性能的影响,提出了不同PAN/ZnCl2比例、不同浸渍方式制备的PAN/ZnO纳米纤维膜具有不同形貌的可能机理,分散均匀的、六方纤锌矿结构的、平均直径最小为115nm的ZnO纳米棒簇成功地锚定在R-7/1(PAN/ZnCl2=7/1,反复交替浸渍)复合纤维膜的PAN纳米纤维表面。与单次交替热冷浸渍法制备的S-5/1(PAN/ZnCl2=5/1)相比,通过反复交替热冷浸渍法(特别是R-7/1)制备的PAN/ZnO纳米纤维膜显示出对亚甲基蓝更好的热稳定性和更高的光催化活性,R-7/1的T5%从S-5/1的282℃提高到325℃,增加了43℃;R-7/1经UV光照射8h后对MB的光催化降解率为96%,高于S-5/1即使照射14h后65%的光催化降解率。此外,R-7/1具有良好的再利用稳定性,其降解效率在3个循环后仍保持在94%以上。  (2)在静电纺丝制得的R-7/1复合纤维膜基础上,以煅烧的方法制备碳纳米纤维/ZnO复合材料。利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和紫外-可见光谱(UV-Vis)考察不同预氧化和碳化温度、时间对碳纳米纤维/氧化锌复合材料的形貌和光催化性能的影响,探讨其影响机制。结果表明:通过预氧化和碳化过程,可以制备碳纳米纤维/ZnO复合材料,预氧化和碳化温度、时间对碳纳米纤维/氧化锌复合材料的形貌和性能起着关键作用;与未经碳化处理的R-7/1相比,碳纳米纤维/氧化锌复合材料具有更好的光催化性能,使用经1100℃碳化的R-7/1-1100光催化材料,在照射4小时后,其对亚甲基蓝的光催化降解率高达100%,高于R-7/1即使经8小时照射后达到的96%;即使经3个使用循环后,R-7/1-1100的光催化降解效率仍保持在98%以上,具有良好的使用稳定性。  (3)以静电纺聚丙烯腈纳米纤维膜为模板/载体,采用热超声膨胀法制备形貌可控的聚丙烯腈/氧化锌复合纳米纤维。使用场发射扫描电子显微镜、傅立叶变换红外光谱、热重分析和紫外-可见光谱等方法研究不同热超声温度和静置溶液对PAN/ZnO复合纳米纤维形貌、微观结构、热稳定性和光催化性能的影响,探讨不同条件下PAN/ZnO复合纳米纤维各种形貌的形成机制,评估了不同热超声温度和静置溶液对PAN/ZnO复合纳米纤维膜的光催化降解效果的影响。研究表明,在80℃超声温度及静置溶液为锌铵溶液条件下,直径约201nm的ZnO纳米棒如毛毛虫状均匀地负载在PAN纳米纤维表面。与60℃超声且静置溶液为水的60-W相比,静置溶液为锌氨溶液的复合纳米纤维表现出更高的热稳定性和对亚甲基蓝(MB)更高的光催化活性,尤其是80-ZA,将热分解温度T5%提高了23℃(从292℃提高至315℃)。同时,80-ZA在模拟太阳光照射7.5小时后,对亚甲基蓝的光催化降解率高达99.2%,高于60-W及其它样品90.9-96.4%的降解率。  (4)采用简单一锅法将聚丙烯纺粘纤维膜(PPFN)和锌铵溶液混合,在不同反应温度下通过直接沉淀法使纤维表面负载形貌可控、具有光催化性能的氧化锌,使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、热重分析仪、电子强力仪及紫外-可见漫反射光谱考察温度对纤维表面负载ZnO粒子的微观形貌、分散性、结晶结构和结晶度、热稳定性、力学性能及光催化性能的影响,探讨不同条件下PPFN/ZnO复合纤维各种形貌的形成机制。结果表明:经75℃处理60分钟的复合材料,棒状ZnO微米粒子均匀包覆在PPFN纤维表面;其XRD图谱中在特征峰处较60℃、90℃有着更尖锐的峰型,结晶度为88.0%;最大降解温度(Tmax)由287.2℃提高到392.9℃,增加了105.7℃;对亚甲基蓝染料光催化降解8h后降解率达到96.04%。  综上所述,本论文制备了基于PAN和PP两种微纳米聚合物纤维膜的形貌可控的氧化锌基功能性光催化材料,该材料具有较好的光催化性能及再利用稳定性。可以预见,该复合材料在光催化领域和环保材料领域有着广阔的应用前景。
其他文献
夜光纤维是一种无毒无害,无放射性,并可循环使用的功能性纤维。但目前已研制出的夜光纤维余辉性能还不够理想,在夜间的发光颜色(以下简称光色)均为黄绿色系,较为单一,从而限制
风能是目前最具有开发前景的一种绿色能源。风力机的结构形式直接影响到风能的利用效率。近年来人们围绕着风力机的风能利用效率开展了大量的研究工作,取得了许多研究成果。从
真丝绸冷轧堆染色是实现少水节能染色的关键技术之一。课题组前期通过对真丝绸冷轧堆染色工艺的研究和对冷轧堆染色设备的改造,使真丝绸冷轧堆染色实现了产业化。冷轧堆染色
织物的起毛起球一直是纺织行业中研究的热点和难点问题,常用解决方法主要有树脂整理法、氧化还原法、生物抛光法等。尽管这些方法在解决织物的起毛起球方面取得了一定成效,但是
多数心脑血管疾病例如血栓、动脉硬化、血管老化等需要进行血管替换,临床上已有人体血管替代品,但是主要是大口径血管替代。小口径血管(内径<6mm)还没有理想的替代品应用于临
汽车盘式制动器的振动与噪声一直是困扰人们的难题,制动过程中的制动抖动和颤振问题不仅对制动系统的性能产生影响,还会对乘客的舒适性有影响。目前的研究认为制动系统的振动