电纺壳聚糖/g-C3N4/TiO2纳米纤维膜吸附/光催化协同去除Cr(Ⅵ)

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含Cr(VI)废水的排放不仅会严重污染自然环境,而且还会对人类和其他物种的健康造成严重和持久的危害。为了保护人类和环境,水体中Cr(VI)的去除已经刻不容缓。壳聚糖(CS)是一种生物吸附剂,CS链中数量众多的羟基(-OH)和氨基(-NH2)可通过静电吸引和螯合作用吸附Cr(VI)。此外,在可见光照射下,g-C3N4/Ti O2(CNT)光催化剂可以将高毒的Cr(VI)还原成低毒的Cr(III),降低Cr(VI)在水中的毒性。因此,将CS和CNT结合应用可以明显增强对Cr(VI)的去除效果。本文首次通过静电纺丝工艺成功地合成了壳聚糖/g-C3N4/Ti O2(CS/CNT)纳米纤维膜。通过相关测试对样品进行了表征,并研究了纳米纤维膜通过吸附和吸附/光催化协同作用对Cr(VI)的去除,最后给出了相应的机理解释,结果如下:(1)研究了纳米纤维膜的形貌结构和光学性能。通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察到棒状Ti O2和片层状g-C3N4在CS纳米纤维上分散良好,证明了材料的成功制备;通过光电流密度-时间曲线(I-t)发现CS纳米纤维膜没有光电流响应,而CS/CNT纳米纤维膜具有明显的光电流响应;通过紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)得到CS/CNT纳米纤维膜的带隙能为2.50 e V,小于CNT粉末(2.60 e V)、g-C3N4(2.7 e V)、Ti O2(3.2 e V),表明CS/CNT纳米纤维膜在可见光照射下具有优异的光吸收性能,可以用来处理有毒有害污染物。(2)研究了纳米纤维膜对Cr(VI)的吸附去除。纳米纤维膜对Cr(VI)的快速吸附发生在前15 min,CNT的加入可以促进纳米纤维膜对Cr(VI)的快速吸附;纳米纤维膜对Cr(VI)的吸附符合伪二阶动力学模型和Langmuir等温模型,说明反应过程由化学吸附主导并且属于单分子层吸附;在p H=2时,CS/CNT10:1纳米纤维膜对Cr(VI)的吸附量达到了165.3 mg/g,远高于CS纳米纤维膜的20.8 mg/g,说明CNT的加入显著提高了CS纳米纤维的耐酸性能,扩大了其应用范围。(3)研究了纳米纤维膜对Cr(VI)的吸附/光催化协同去除。在可见光照射下,CS/CNT纳米纤维膜对Cr(VI)的去除率明显提高,比纯吸附提高约50%,此外,CS/CNT10:1纳米纤维膜去除Cr(VI)的反应速率常数是CS纳米纤维膜的2.63倍;在p H=2时,CS/CNT10:1纳米纤维膜对浓度为100 mg/L以下的Cr(VI)去除率均在90%以上;纳米纤维膜对Cr(VI)的去除率在5次循环后没有明显变化,表明纳米纤维膜具有良好的稳定性;CS/CNT纳米纤维膜对Cr(VI)的高去除效率得益于电纺纳米纤维膜的高比表面积、壳聚糖中-OH和-NH2基团的静电吸引以及g-C3N4/Ti O2的光催化还原。综上所述,电纺制备的CS/CNT纳米纤维膜具有优异的Cr(VI)去除效果,为今后通过静电纺丝技术制备吸附剂/光催化剂来降解污染物做出了有益的参考。
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