金属氧化物@ZSM-5/SiO2复合纤维膜的制备及其催化臭氧氧化降解苯酚的研究

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苯酚具有较强的毒性,是废水有毒污染物中较难去除的一种,常见于印染废水等工业废水中,不仅会污染环境,而且会危害人体健康。目前主要有物理法、化学法和高级氧化法三种方法降解水中苯酚。高级氧化法具有降解高效、反应稳定且不会造成二次污染的优点,成为研究热点,而催化臭氧氧化技术是高级氧化法中应用较广泛的一种。目前的催化剂较难回收而容易再次对水体造成污染和稳定性差等缺点,因此本文旨在制备出金属氧化物@ZSM-5/SiO2复合纤维膜来解决这些问题。该材料首先以静电纺丝制备的柔性二氧化硅(SiO2)纳米纤维膜为载体,然后采用浸渍法将ZSM-5分子筛粉末负载到纤维膜上,从而实现了分子筛粉末到分子筛膜状材料的转变,其次通过等体积浸渍法制备出金属氧化物@ZSM-5/SiO2复合纤维膜。最后通过一系列的表征方法分析复合纤维膜的结构性能,并对其催化臭氧氧化降解苯酚的性能进行评价。本文首先制备出柔性SiO2纳米纤维膜,通过磷酸的添加量来调节正硅酸四乙酯、去离子水和磷酸的质量比,进而探究磷酸的添加量对静电纺丝液的影响。通过研究纺丝液的性能(如电导率、粘度、表面张力)以及对制备出的纤维表面微观表征分析后,结果表明正硅酸四乙酯、去离子水、磷酸的质量比为1:1:0.01时制备的纤维膜表面更加均匀光滑。对相对较好的纳米纤维膜进行了一系列的表征分析,表明SiO2的比表面积为7.5m~2g-1,SiO2纳米纤维膜煅烧前后基本无化学结构变化。柔性SiO2膜的力学性能较好,拉伸断裂强度达到2.1MPa。然后以制备的SiO2纳米纤维膜作为载体,制备出ZSM-5/SiO2复合纤维膜,通过SEM观察到材料表面基本无纤维,均匀排列着ZSM-5分子筛颗粒。通过BET表征分析出ZSM-5/SiO2具有微孔,比表面积达到了197.21m~2g-1,较大的比表面积有助于后续对苯酚溶液的处理。在ZSM-5/SiO2的基础上,通过等体积浸渍法,负载铁和锰的金属氧化物在ZSM-5/SiO2上,制备得到金属氧化物@ZSM-5/SiO2复合纤维膜。通过改变九水硝酸铁和四水硝酸锰溶液的浓度,制备出浓度为0.5mol/L、0.7mol/L、0.9mol/L三种复合纤维膜。通过SEM可以观察到复合纤维膜表面有新增的颗粒且随着浓度的增加颗粒越多。通过BET分析出复合纤维膜有微孔,且比表面积随着浓度增加而增大,0.9mol/L时比表面积最大为101.29m~2g-1。XRD、EDS等表征都证明铁和锰的氧化物成功被负载到ZSM-5/SiO2上。最后,对苯酚进行催化臭氧氧化降解,分析了苯酚溶液初始p H值、金属盐浓度和金属氧化物@ZSM-5/SiO2复合纤维膜的添加量对降解的影响。结果表明,当p H值为10.5、金属盐浓度为0.9mol/L和复合纤维膜的添加量为400mg时,苯酚降解效果最优,其降解率为86%,制备出的金属氧化物@ZSM-5/SiO2复合纤维膜具有可重复使用性,,且重复性较好。
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