醌基氧化石墨烯修饰膜的制备及其在染料废水处理中的应用

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随着工业的发展和人们生活水平的提高,对纺织产品的需求也随之增加,印染废水成为全球水污染问题的主要来源之一。印染废水的传统处理方法存在低效、耗时等问题。近年来,膜生物反应器(MBR)作为最有前途的膜技术之一,因其占地面积小、出水水质好、操作简便等优点被广泛应用于印染废水处理,但其中的微生物降解速率低仍限制了MBR的处理效果。研究表明,醌类化合物能够加速电子供体与受体间的电子传递速率,使污染物还原/氧化速率提高一到几个数量级。然而,连续投加水溶性的氧化还原介体不仅在经济上不可行,也会造成二次污染。因此,本文选用醌类氧化还原介体和氧化石墨烯固载在PVDF膜基材上,并应用于染料废水的生物脱色。通过X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、原子力显微镜、水接触角测试和渗透实验等手段对所制得改性膜进行表征,并考察其加速染料脱色性能。主要研究内容如下:(1)1,8-AQ/PVDF膜的制备。在11种醌类化合物中(包括1,8-二氯蒽醌、1-氯蒽醌、2-氯蒽醌、1,5-二氯蒽醌、1,8-二羟基蒽醌、2-羟基-1,4-萘醌、1,4,5,8-四氯蒽醌、1-氨基蒽醌、2-氨基蒽醌、2-乙基蒽醌、蒽醌-2-磺酸钠),筛选得出与PVDF相容性最好的1,8-二氯蒽醌(1,8-AQ)。采用浸没沉淀相转化法制备不同1,8-AQ负载量的1,8-AQ/PVDF介体膜,并考察其在光合细菌的作用下对偶氮染料的催化性能。对1,8-AQ/PVDF膜进行了表征和分析,结果显示1,8-AQ成功负载在PVDF膜上。在优化条件下制备的1,8-AQ/PVDF膜(Q2,醌固载量为2%)能够将偶氮染料的降解效率提高2.4倍。通过5次的脱色循环测试,介体膜Q2仍保持较高的脱色效率。(2)1,8-AQ/GO/PVDF膜的制备。采用相转化法在1,8-AQ/PVDF体系中共混加入GO,考察不同GO添加量对介体膜的催化性能和其他膜性能的影响。通过膜表征和分析,GO可成功固载在1,8-AQ/GO/PVDF膜上,且GO的最佳固载量为1%(G6)。1,8-AQ/GO/PVDF膜(G6)实现对活性红X-3B 2.2倍的催化效率,对酸性红B 1.1倍的催化效率。与未添加GO的1,8-AQ/PVDF介体膜相比,GO的加入进一步优化了介体膜对偶氮染料的催化降解速率,并且大幅提高了膜的水通量。1,8-AQ/GO/PVDF膜通过5次循环脱色测试后,仍保持着较高的染料降解效率,具有较强的稳定性。(3)AQS-RGO/PVDF膜的制备。采用共价化合法先将GO和蒽醌-2-磺酸钠(AQS)合成AQS-RGO,再以PVDF为聚合物,通过相转化法制备AQS-RGO/PVDF膜,探究其对偶氮染料的催化降解性能。结果表明,AQS-RGO与PVDF膜的相容性比分别添加醌和石墨烯的相容性差。催化脱色实验结果表明,AQS-RGO固载量为0.5%的AQS-RGO/PVDF膜(O2)可实现对活性红X-3B 1.6倍的催化效果,对酸性红B 1.1倍的催化效率。综上,全文制备了3种不同体系的醌基介体膜,所制备的新型介体膜同时兼备常规膜分离的功能和加速染料降解的功能。其中1,8-AQ/PVDF和1,8-AQ/GO/PVDF膜具有较好的催化效果。较常规工艺速率提高2倍以上,且通过5次的脱色循环实验,介体膜仍保持较高的脱色效率。
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