隨著全球經(jīng)濟和社會的發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴重。目前，水污染已被稱作“世界頭號殺手”，引發(fā)了一系列負面效應。據(jù)報道，有機污染物是水體污染中最主要的污染物。染料廢水是目前導致水體污染的最重要的污染源之一，其不僅引發(fā)視覺污染，還直接導致有機生物體中毒、影響水生生物生存，而且可經(jīng)過生物積聚作用進入人體、最終影響人類健康。五氯酚（PCP）作為一種典型的有毒、難降解有機化合物，既是優(yōu)先污染物，也是持久性有機污染物。因此，對這兩種典型的水體有機污染物進行有效的處理，對于保護環(huán)境、維持生態(tài)平衡、實現(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，處理水體中有機污染物的研究方法重點圍繞著吸附法和光催化氧化技術，這兩種方法分別作為物理脫除法和化學降解法而得到廣泛的關注和研究。然而，這兩種方法均存在一些問題需要解決。 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；對吸附脫除水中污染物的吸附機理尚缺系統(tǒng)研究；關于吸附法脫除水中重金屬污染的研究比較多，而針對于水中有機污染物的處理則開展較少。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發(fā)是目前吸附研究領域的重要方向。 另一方面，光催化氧化技術也存在很多發(fā)展空間，例如：目前被廣泛使用的光催化劑如TiO_2等只能吸收紫外線，且大多數(shù)光催化劑都是以納米顆粒組成的粉體為主，在使用過程中回收困難。因此，開發(fā)具有可見光響應型的新型金屬氧化物納米催化劑非常必要；通過改變催化劑的形貌或物理性質使得其能被有利于回收也值得思考。 針對以上問題，本課題在總結現(xiàn)有文獻的基礎上，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、化學性質，并應用物理吸附法和光催化氧化法脫除水中典型的有機污染物——亞甲基藍（MB）染料和五氯酚（PCP）。本論文以實驗研究為主，結合理論探討，主要開展了以下幾個方面的研究工作： 1.采用溶膠-凝膠法結合靜電紡絲技術合成了具有層狀結構的赤鐵礦（α-Fe_2O_3）納米結構纖維，表征測試了其物理、化學結構，分析了層狀結構的可能形成機理，考察了其在紫外光下催化降解亞甲基藍（MB）水溶液的催化性能。對于初始濃度為10mg/L、初始pH為5.3的MB溶液，加入50mg/L的α-Fe_2O_3纖維后可在紫外光下催化降解MB高達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-Fe_2O_3納米粉體（降解效率為88.2%）及商業(yè)Fe_2O_3粉末（降解效率為80.5%）。同時，考察了各種實驗條件（如MB溶液的初始pH、MB溶液的初始濃度、無機陰離子、光照強度等）對降解效果的影響，從UV-vis圖譜和α-Fe_2O_3能帶結構兩個角度分析了α-Fe_2O_3纖維降解MB的機理。 2.采用溶膠-凝膠結合靜電紡絲技術制備了具有三維蠕蟲狀介孔結構的Ce摻雜TiO_2/SiO_2復合納米結構纖維，采用TG、FT-IR、XRD、SEM、TEM及UV-VisDRS等手段對其進行了表征，探討了其在模擬太陽光下催化降解MB水溶液的光催化性能。在最佳催化條件下，即Ce摻雜量為0.2%、纖維投加量為100mg/L、pH=11時，初始濃度為2.5mg/L的MB溶液在模擬太陽光下照射120min后，其光催化降解效率可達92.6%；無機陰離子NO3-、SO42-、Cl-的存在對MB的光催化降解效率均具有抑制作用。重復利用實驗表明該催化劑具有良好的光催化穩(wěn)定性。通過H_2O_2和叔丁醇的影響研究，結合摻雜理論及相關參考文獻，分析和探討了Ce-TiO_2/SiO_2纖維光催化降解MB的機理。 3.利用溶劑熱法制備了殼聚糖修飾的四氧化三鐵（Fe_3O_4/CS）單分散磁性納米絨球，且對其進行了結構和性能測試。比較了Fe_3O_4/CS與Fe_3O_4分別作為吸附劑、吸附脫除水中五氯酚（PCP）的效果，表明Fe_3O_4/CS吸附脫除PCP的優(yōu)越性：吸附過程在30min內(nèi)迅速實現(xiàn)了吸附平衡，PCP的脫除量高達91.5%。影響因素研究指出：Fe_3O_4/CS的最佳投加量為2.8g/L；當pH=6.5時PCP的吸附量最高；鹽度對PCP的脫除影響不大。吸附等溫線、吸附熱力學和吸附動力學研究表明：Fe_3O_4/CS吸附脫除PCP的吸附過程是自發(fā)放熱過程，遵循Langmuir吸附模型和Lagergren二級動力學方程。機理研究表明：Fe_3O_4/CS吸附脫除PCP的吸附過程很復雜，其吸附機理源于靜電力、氫鍵和π-π鍵的共同作用，且這些作用力的相對強弱取決于實驗條件。 4.采用高效、節(jié)能的微波-水熱法合成了Ag_2CrO_4納米結構粉體。通過XRD、SEM及UV-Vis DRS等手段表征了樣品的形貌和性質。通過比較不同水熱pH條件下制備的Ag_2CrO_4對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Ag_2CrO_4在可見光下對PCP具有卓越的光催化降解活性，反應60min后PCP已經(jīng)發(fā)生分解（直接光照對PCP幾乎沒有產(chǎn)生任何影響，P25在相同時間內(nèi)對PCP的光催化降解效率僅為17.7%）。同時，在反應60min后TOC的降解效率達68.6%；當催化反應進行到300min的時候，TOC的降解效率高達98.2%，說明此時PCP分子已經(jīng)基本實現(xiàn)完全礦化。優(yōu)化實驗條件結果表明：Ag_2CrO_4的最佳投加量為0.75g/L；PCP的降解效率隨PCP初始濃度的增加而下降，隨溶液初始pH的增加而降低。催化劑的重復利用實驗表明Ag_2CrO_4具有良好的光催化穩(wěn)定性。機理研究指出： OH和O_2是參與光催化反應的主要活性物種，Ag_2CrO_4特有的晶體結構和電子結構有利于其吸收更多可見光，從而有利于發(fā)揮高效的光催化反應活性。
【學位單位】：南開大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2012
【中圖分類】：X52
【部分圖文】：

端，且溶液表面有大量的同種電荷。此時，液滴表面存在著間的靜電斥力和外加電場的庫侖力），在這兩種力的作用下，，俗稱泰勒（Taylor）錐。一旦電場強度達到一定的閾值，液力就會克服表面張力，使得液體從噴頭噴射出來，在電噴過伸及彎曲抖動的過程，從而得到較長的彎曲纖維。伴隨著液伸和溶劑的揮發(fā)，纖維的直徑就會從幾百微米減小到幾十納維隨機飄落在位于噴頭前方或下方的接收板上面，形成一層無

圖 2.1 （a）靜電紡絲示意圖；（b）電紡出的干凝膠纖維圖 2.1a 所示，將可紡性凝膠前驅體置于注射器中，連接好靜電紡絲裝置，接上高壓直流電源，一次性注射器的針頭（即噴絲頭）連接到高壓直流電源的陰極上，電源的另一極連接到一塊不銹鋼板上，該板起接收纖維的作用。在微量進料泵的推動下，凝膠液體以恒定速率到達注射器針頭，即噴絲頭出現(xiàn)連續(xù)的凝膠液珠，在適宜的外加高壓電場下，液體的靜電斥力將超過表面張力使得噴射流從噴嘴處噴出，形成的帶電纖維噴落在接收板上。本實驗的電紡過程在室溫下進行，微量進料泵的流速為 3.5mL/h，外加電場調節(jié)為 25kV 左右，注射器針頭（噴絲頭）與接收板之間的距離為 15cm。最后將紡成的纖維置于通風櫥中自然干燥 24h，獲得干凝膠纖維，如圖 2.1b 所示。然后將干凝膠纖維置于管式爐內(nèi)焙燒，首先以 10℃/min 的速度升溫至 600℃，接著在 600℃下恒溫 4h，使有機物完全分解，自然降溫至室溫后便得到 α-Fe2O3纖維，放入干燥器備用。2.2.3 α-Fe2O3納米纖維的表征

圖 2.2b 表示的是煅燒前后的纖維的 FT-IR 圖譜。如圖2.2b 中曲線 2 所示，在 1372~1699cm-1范圍及 1601cm-1處對應的吸收峰歸因于C=O 的振動，而 1436cm-1處對應的吸收峰則源于 COO 基團的振動。在 1084與 850cm-1之間出現(xiàn)的吸收峰是由于檸檬酸基團造成的，而低于 624cm-1的吸收帶對應于 Fe–O 鍵的振動。圖 2.2b 曲線 1 表明，550cm-1和 445cm-1處分別對應的兩個強吸收峰是歸于赤鐵礦晶相的特征晶格振動。3016cm-1處微弱的吸收峰是由于赤鐵礦表面所吸附水分子的 O–H 帶振動引起的[116]。在 1508cm-1與1434cm-1范圍之間的兩個小峰則可以歸結于 C–OH 的拉伸振動。880cm-1處的弱
【參考文獻】

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本文編號：2850003