聚苯胺及其复合材料对茜素红的吸附和光催化降解应用研究

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茜素红(AR)作为一种典型的蒽醌类染料,在纺织印染工业中得到广泛应用。然而,茜素红由于其化学结构中存在芳环而具有较高的物理化学稳定性、光热稳定性,难以自然降解。这些未经处理的AR废水直接排放到湖泊、溪流和池塘等水生环境中,对水生态系统和人类健康将造成严重威胁。目前针对AR废水的去除研究主要有两种方法:一是物理处理法,如吸附、膜过滤、离子交换等,该方法效率高,处理量大,但只是将AR从水中转移,易造成二次污染;二是化学处理法,如化学试剂氧化、电化学阳极氧化、光催化降解等,该方法可将AR降解成无毒或矿化的物质,但效率低,只能处理较低浓度的AR废水。为了克服单一处理方法的局限性,学者提出了吸附-光催化处理技术,即同时赋予吸附剂光催化特性,使得被吸附的污染物可以通过光催化被原位降解成无毒或矿化的物质,进一步提高吸附剂的废水处理性能。然而,目前鲜少有人通过吸附-光催化技术来处理AR废水。聚苯胺(PANI)由于原料易得、易于合成、可调控性高,且具有良好的理化性能、机械灵活性和环境稳定性,是研究最多的吸附剂之一。然而,单纯的PANI吸附性能一般,光催化降解性能较差。基于以上背景,本文将PANI与氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNTs)复合,研究了其对AR废水的吸附和光催化降解性能。(1)通过化学氧化法、共混法和原位聚合法分别合成了 PANI纳米纤维、PANI/GO复合材料和PANI/CNTs复合材料。通过扫描电子显微镜、红外光谱、X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和热重分析等手段对材料的形貌和结构进行表征。通过氮气吸附-脱附表征了材料的比表面积及孔径,PANI复合材料具有介孔,其孔容孔径得到提高。通过紫外-可见漫反射和电化学阻抗表征了材料的光电性质,PANI复合材料在可见光区域有吸收,且阻抗更小,提高了光生电子的转移能力。(2)在PANI及其复合材料吸附AR的体系中,系统地研究了吸附剂量、溶液初始pH值、吸附温度、吸附时间和AR初始浓度对吸附性能的影响。吸附机理研究表明,吸附AR的过程符合伪二级动力学和Freundlich等温线模型。PANI、PANI/GO、PANI/CNTs对AR的吸附容量分别为258、329和447 mg/g。并且,PANI/CNTs对AR的去除率为90%以上,对AR具有较高的选择性,且吸附剂可重复使用。(3)在PANI及其复合材料光催化降解AR的体系中,系统地研究了吸附剂量、溶液初始pH值、光催化时间和AR初始浓度对光催化降解性能的影响。研究表明PANI及其复合材料对AR的光催化降解过程均符合L-H动力学模型。经过光催化降解后,PANI/GO对AR的去除率由47.3%提升到67.1%,PANI/CNTs对AR的去除率由87.5%提升到91.0%。PANI与碳纳米材料GO和CNTs的复合延缓了 PANI所形成的电子-空穴对的复合,从而有效提高了 PANI的光催化降解性能及其对AR的去除能力。
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