Nafion/TiO2杂化离子膜的制备及其对PCBs的光催化降解研究

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作为首批被《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》列入需要控制的12种持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants,简称POPs)之一的多氯联苯(Polychlorinated biphenyls,简称PCBs),因其理化性质稳定、难于被化学或生物降解,虽早已被全球禁用多年,但仍然可在当前的环境中发现其广泛的残存。由于PCBs具有极强的亲脂疏水性,且易通过食物链的富积作用而具有潜在的毒性和致癌性,从而严重地威胁着生态环境和人类健康。大量的研究表明,通过TiO2作为光催化剂来降解治理PCBs污染的效果明显且节能易行,是当前此领域的热点研究方向之一。而采用Nafion与TiO2复合制备Nafion/TiO2杂化薄膜,不仅可作为固载TiO2避免其流失及提高其重复利用率的有效手段,而且还可以一定程度上增加了Nafion薄膜酸性中心的暴露,从而增强了其催化能力。本文以全氟磺酸树脂Nafion作为载体和改性剂,研究了TiO2的固载化技术以及Nafion/TiO2杂化薄膜对PCBs的光催化降解性能。分别利用溶胶重铸法、粉末重铸法以及原位溶胀水解沉积法制备了不同TiO2溶胶和粉末含量的Nafion/TiO2杂化薄膜;综合XRD、SEM、FT-IR、TG-DTA、XPS、UV/vis等测试手段表征了杂化薄膜的微观结构与光催化性能;通过GC-MS分别对Nafion/TiO2杂化薄膜对2,4,5-PCB溶液与Aroclor1254溶液的光催化降解作了研究;此外,还对无纺布基Nafion/TiO2光催化滤布的制备及其应用做了初步的探索。主要研究成果如下:(一)在Nafion薄膜中通过原位溶胶-凝胶法制备了Nafion/TiO2杂化薄膜。以水为主要溶剂的反应配方体系[Ti(OC4H9)4:H2O:C2H5OH:HNO3(质量比)=8:100:4:0.8],在室温下合成出平均粒径约为47.5nm并且具有锐钛矿晶型的TiO2纳米晶溶胶,并且通过TiO2溶胶在Nafion薄膜中原位溶胀沉积等方法合成了Nafion/TiO2杂化薄膜。(二)Nafion/TiO2杂化薄膜具有聚四氟乙烯骨架结构,并且TiO2的晶型得到了较好地保持,杂化薄膜的热稳定性也有所提升,但随着TiO2含量的增加会降低Nafion/TiO2杂化薄膜的韧性,研究结果证实,复合薄膜中产生了新的化学键:Ti-O-S,TiO2晶粒与全氟磺酸树脂间存在牢固的化学键结合。(三)所制得的Nafion/TiO2杂化薄膜对PCBs具有较好的光催化降解能力,对浓度为640μg/L的2,4,5-PCB溶液和1000μg/L的Aroclor1254溶液的光催化降解率最高可达97.3%和98%。在浓度为6.4mg/L的2,4,5-PCB溶液的光催化降解过程中同时存在着异构反应和脱氯反应,揭示出了PCBs类物质的光催化一般规律。(四)通过浸渍提拉镀膜法制备的无纺布基Nafion/TiO2光催化滤布,经强紫外光长时间辐照老化实验后,依然具有较好的强度以及韧性,理论上可应用于环境污水治理、工业废水回用以及有机无土栽培等过程中过滤、吸附和降解水体中的有毒有害物质。
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