功能性复合纤维膜的制备及其光酶催化性能研究

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近年来,含有机污染物的废水对人类的生命健康造成了严重的威胁。这类废水污染物主要来源之一是纺织印染行业加工过程中的表面活性剂、染料、助剂等;其次,消毒剂、农药和塑料等制造行业产生的抗生素类是有机污染废水另外一个主要来源。这些有机污染物分子具有结构复杂、性质稳定和可生化性低等特点,很难被及时且高效地去除。因此,设计一种可重复使用且高效去除水中有机污染物的材料迫在眉睫。光催化法因操作简单,可行性强和可重复使用等性能被广泛的应用于有机污染物废水的处理领域。该法主要是利用纳米级光催化剂在光照下制造氧化还原的空间,将水溶性较好的有机污染物降解成无毒的CO2和H2O等小分子物质。其中Zn O因低成本、高稳定性和高透明度等优点,引起了众多学者的广泛关注。但Zn O较宽的带隙(3.37 e V)、不同p H值溶液下的光腐蚀和较差的重复使用性能等问题限制了其应用空间。漆酶是一种利用氧气作为唯一受体就可以有效地将废水中有机物降解成简单无机物的生物酶催化剂。然而,漆酶是一种水溶性蛋白分子,存在易变性或失活、不易长期储存等缺点;反应后易团聚或降解,难以实现与反应体系分离,严重阻碍了酶的工业化应用前景。针对光催化和酶催化在实际应用过程中存在的难题,本研究通过原位生长法制备了一种导电性复合纤维膜,接着通过水热法将光催化剂负载到导电性复合纤维膜上,并探讨了其降解有机污染物的效果;然后通过吸附和吸附/交联法将漆酶固定化到该复合纤维膜上,探究固定化漆酶在应对环境变化(温度,酸碱度),储存和循环使用时的催化活性;最后将光催化和酶催化结合起来探究其协同作用的效果和机理。主要内容包括:(1)以柔性的水刺粘胶纤维为基底,将其与聚苯胺进行结合,利用聚苯胺高分子及其衍生物具有特殊的氨基和亚氨基基团,从而将重金属离子和有机污染物络合去除。研究结果显示复合纤维膜对低浓度的活性红(50 mg/L)、甲基橙(5.0mg/L)和Cr6+离子(50 mg/L)溶液的吸附率分别为60.1%、50.3%和61.8%。在不同浓度的污染物中吸附量最高分别达到101.3、81.2和105.04 mg/g,证明其对活性红、甲基橙和Cr6+离子具有良好的吸附能力。(2)以水刺粘胶@聚苯胺复合纤维(SV@PANI)膜作为光催化材料的载体,通过水热法将氧化石墨烯和氧化锌(Zn O/GO)均匀负载到纤维表面,制得SV@PANI-氧化锌/氧化石墨烯(SV@PANI-Zn O/GO)膜,并利用扫描电子显微镜和傅立叶红外光谱等仪器对纤维膜的微观结构和理化性质进行了详细的表征。研究结果显示:在紫外光照射下,SV@PANI-Zn O/GO膜在2 h内对5 mg/L的亚甲基蓝(MB)的脱色率为达到97.3%;循环使用5次后,SV@PANI-Zn O/GO膜仍保持较高的催化活性,对MB去除率保持在76.7%以上。(3)以三维柔性SV@PANI膜为载体,通过吸附和吸附/交联两种方法对漆酶进行固定化。结果显示:SV@PANI膜对漆酶的固定化含量分别为138.3 mg/g和136.6 mg/g。通过固定化的漆酶在应对p H值和温度的变化时表现出更高的催化活性;在储存19天后其催化活性依然保持在60%以上;重复使用10次后,固定化酶的催化活性分别保持在56.7%和78.6%左右。(4)以SV@PANI膜为载体,通过水热法在纤维膜上搭建钒铋酸/氧化锌(Bi VO4/Zn O)异质结结构,接着通过戊二醛交联法对漆酶固定化,最终得到了固定化漆酶的SV@PANI-Bi VO4/Zn O(Lac-SV@PANI-Bi VO4/Zn O)膜,用于对2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)的催化降解。研究结果显示:在360 min内,相较于SV@PANI-Bi VO4/Zn O对2,4-DCP的降解率为29.02%,固定化漆酶后的纤维膜催化效率提升到41.2%。
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