【摘要】：隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快,環(huán)境污染日益嚴(yán)重,特別是在發(fā)展中國家,嚴(yán)重威脅著人類的健康。其中,不同大小的顆粒物(PM)是主要的空氣污染物,PM富含大量有毒有害成分,在大氣中停留時間長,嚴(yán)重影響大氣環(huán)境的質(zhì)量。研究表明,顆粒越小對人體健康的危害越大,因?yàn)橹睆皆叫?進(jìn)入呼吸道的部位越深。10 μm直徑的顆粒物通常沉積在上呼吸道,2 μm以下的可深入到肺泡。細(xì)顆粒物進(jìn)入人體肺泡后,直接影響肺的通氣功能,使機(jī)體容易處在缺氧狀態(tài)。已經(jīng)有大量的流行病學(xué)研究表明長期暴露在細(xì)顆粒物環(huán)境中,人的免疫系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)會受到嚴(yán)重影響,增加患急性呼吸道疾病與心腦血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。因此,公眾在霧霾天氣期間通常需要采取措施進(jìn)行戶外個人保護(hù),主要集中在空氣過濾器的使用。通常使用的空氣過濾器分兩種類型,一種是多孔膜過濾器,這種類型的空氣過濾器是通過在固體基底上產(chǎn)生孔隙而制成,并且通常具有非常小的孔徑以過濾具有較大尺寸的PM。但是這種類型過濾器的孔隙率低(30%),即雖然過濾效率高,但是透氣性差。另一種類型的空氣過濾器是纖維空氣過濾器,是通過厚物理屏障和粘附效應(yīng)捕獲PM。為了獲得高效率,這種類型的過濾器通常非常厚,因此透氣性差。此外,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣過濾器的表面被改性以匹配PM的表面性能時,單纖維的捕獲能力能夠被有力增強(qiáng)。因此,為了滿足高效低阻PM過濾器的要求,我們在這里根據(jù)已有的研究成果開發(fā)出了新型的復(fù)合納米纖維過濾膜,其具有高過濾效率,低氣流阻力和優(yōu)異的力學(xué)性能�；陟o電紡絲方法制備的納米纖維過濾膜具有比表面積大、孔隙率高和制備過程簡單等一系列優(yōu)點(diǎn),本文采用靜電紡絲的方法制備均勻的納米纖維過濾膜來進(jìn)行以下幾個方面的研究:(1)通過一步靜電紡絲法在聚丙烯腈(PAN)納米纖維表面和內(nèi)部鑲嵌氧化還原石墨烯(rGO)納米片,制備rGO功能化的PAN高效低阻納米纖維過濾膜。研究結(jié)果表明復(fù)合納米纖維膜在高氣流下的過濾性能得到了明顯的改善。其中,含有2.5 wt.%rGO納米片的納米纖維過濾膜表現(xiàn)出最優(yōu)的PM去除效率(99.9%),0.094Pa-1的品質(zhì)因數(shù)以及僅70Pa的壓降。此外,rGO復(fù)合PAN納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度(0.48～1.25 MPa)遠(yuǎn)高于純PAN納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度(0.19 MPa),使純PAN納米纖維膜的力學(xué)性能得到明顯改善。(2)接下來,為了改善聚合物納米纖維膜的固有缺陷(熱穩(wěn)定性差、對0.3μm的PM幾乎沒有吸附效果),受半導(dǎo)體納米材料光電效應(yīng)的啟發(fā),我們采用靜電紡絲和熱處理相結(jié)合的方法制備TiO2復(fù)合碳基納米纖維膜,使純碳纖維過濾膜的PM捕獲效率從40.71%提高到99.92%,同時膜的壓降保持在70 Pa以下,QF高達(dá)0.111Pa-1。同時,TiO2納米顆粒的小尺寸效應(yīng),使復(fù)合碳纖維膜的柔性得到明顯改善。并且,通過設(shè)計(jì)光照實(shí)驗(yàn)證明了所制備TiO2復(fù)合碳基納米纖維膜在紫外光照射下具有優(yōu)異的PM吸附能力,特別是對于PM0.3。結(jié)合紫外光電子能譜(UPS)測試和三維時域有限差分(FDTD)模擬,并根據(jù)半導(dǎo)體復(fù)合材料的能帶彎曲理論,得出半導(dǎo)體TiO2復(fù)合碳納米纖維異質(zhì)結(jié)在肖特基勢壘的作用下形成內(nèi)建電場,清楚地解釋了所制備材料的優(yōu)異單纖維過濾性能主要是由于靜電吸附的作用,為以后的研究實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ340.64;TB332;X513
【圖文】：

１．１研究背景逡逑近１０年來，隨著空氣污染的加劇，我國中部和東部霧霾天氣越來越頻繁［１］，逡逑如圖１．１所示，嚴(yán)重影響居民的健康生活�？諝馕廴疚镏饕�、落塵、煤塵、逡逑氣體、粒狀物、放射性有毒化學(xué)物或其他室外大氣中的含有物。其中，空氣中的逡逑顆粒物（ＰＭ）污染是對公眾健康構(gòu)成巨大威脅的最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一［２４］�？斟义蠚馕廴景矗校偷臐舛确譃榱己�、中等、不良、極不良、有害和危險(xiǎn)５個等級［５，６］。逡逑２０１２年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署指出每年有近２００萬的過早死亡病例與顆粒物污染有逡逑關(guān)。《美國國家科學(xué)院院刊》也發(fā)表報(bào)告稱人類的平均壽命因?yàn)榭諝馕廴竞芸赡苠义弦呀?jīng)縮短了邋５年半。并且早在１９９７年，世界銀行就預(yù)計(jì)有５萬中國人因?yàn)榭諝忮义衔廴径^早死亡，中國的空氣污染使得城市居民的壽命減少了邋１８年［７，８：１。更糟糕逡逑的是，２０１６年底中國霧霾加劇，京津冀及周邊地區(qū)深陷“霾伏”。４０個城市發(fā)布逡逑了重污染天氣預(yù)警。其中，包括北京在內(nèi)的２３個城市發(fā)布了紅色預(yù)警，１７個城逡逑市發(fā)布橙色預(yù)警。逡逑ｉ福＇．置．．逡逑！ｉ邋Ｉ邐姦邋ＰＭｍ（＾）逡逑

徑小于或等于２．５邋ｐｍ的顆粒物，對空氣質(zhì)量和能見度有嚴(yán)重影響，是導(dǎo)致霧霾逡逑的罪魁禍?zhǔn)祝郏保ǎ荨＃校椭饕闪蚝偷难趸锝M成，成分復(fù)雜，主要取決于其來源逡逑的多樣化［１１］。ＰＭ的來源主要有自然源和人為源兩種，如圖１．２所示，但危害較逡逑大是后者。自然源包括土壤揚(yáng)塵、植物花粉和自然界中的災(zāi)害事件，如火山爆發(fā)逡逑向大氣中排放了大量的火山灰，森林大火以及塵暴事件等都會將大量的ＰＭ輸逡逑送到大氣中［１２］。人為源分為固定源和流動源：固定源主要是各種燃料的燃燒如燃逡逑氣燃煤燃油排放的煙塵，尤其是在發(fā)電、冶金、石油、紡織等工業(yè)領(lǐng)域；流動源逡逑主要是各類交通工具產(chǎn)生的尾氣。因?yàn)槊禾咳∨前l(fā)展中國家居民取暖的主要逡逑方式，所以發(fā)展中國家面臨更為嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題。在室內(nèi)，二手煙是ＰＭ最逡逑主要的來源，因?yàn)闊煵莓a(chǎn)品的燃燒會產(chǎn)生具有嚴(yán)重危害的顆粒物。日常生活中，逡逑人們通常需要根據(jù)空氣質(zhì)量的好壞采取相應(yīng)的措施進(jìn)行防護(hù)。逡逑Ｓｏｉｌ邋ｄｕｓｔ逡逑１６％逡逑Ｃｏａｌ邋ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋＿邐邐邋Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ逡逑＼．邐？邐／邋ｉｎｏｒｇａｎｉｃ邋ａｅｒｏｓｏｌ逡逑ｒ逡逑Ｂｉｏｍａｓｓ邋ｂｕｒｎｉｎｇ逡逑３％逡逑Ｔｒａｆｆｉｃ邋＆邋ｗａｓｔｅ邐２８％逡逑ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ邐Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ邋ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ逡逑圖１．邋２北京市ＰＭ的來源分布逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｏｕｒｃｅｓ邋ｏｆ邋ＰＭ邋ｉｎ邋Ｂｅｉｊｉｎｇ［ｎｌ逡逑由于粒徑小，表面積大，在空氣中停留時間長，運(yùn)動距離遠(yuǎn)，影響范圍大，逡逑２逡逑

這類材料的主要缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步滿足凈化要求，科研人員制造了許多具有更高逡逑比表面積，更小纖維直徑，更輕重量的表面改性的材料，其主要依靠表面粘附作逡逑用吸附ＰＭ，如圖１．４所示，并在實(shí)際應(yīng)用中顯示出良好的性能。逡逑Ａ邐■？１１丨＿＿明＿邐Ｂ邐■0■■■■■逡逑＇Ｉ邐｜逡逑多邐拳邐Ｔ逡逑Ｔｈｉｃｋ逡逑Ｖ：．邋Ｄ逡逑ｌｙ邐W邐－－逡逑＝ｒ以等辛邐Ｍｋｒｏｓｉｚｅ逡逑Ｐｏｒｏｕｓ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ａｉｒ邋ｆｉｌｔｅｒ邐Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ邋ｆｉｂｒｏｕｓ邋ａｉｒ邋ｆｉｌｔｅｒ逡逑圖１．３傳統(tǒng)空氣過濾膜ＰＭ過濾

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本文編號：2766606