水處理功能化介孔二氧化鈦晶體纖維的制備、表征及其光催化活性.pdf

1、以水中溶解氧為氧源，n型半導(dǎo)體，特別是Ti02為催化劑的光催化氧化是近廿年來水處理領(lǐng)域的研究熱點之一。但常規(guī)的納米Ti02懸浮相體系存在著催化劑易失活、易凝聚、難回收及光能利用率低等固有弊端，負(fù)載型的固定化技術(shù)在解決催化劑回收難問題的同時，又不可避免地帶來光量子效率低和催化劑易脫落等不足，懸浮相和固定化技術(shù)各自固有的弊端業(yè)已成為光催化技術(shù)走向?qū)嵱玫钠款i。
　　 本文基于改進(jìn)溶膠，凝膠法開發(fā)了兩種Ti02纖維制各的新方法，結(jié)合干法

2、紡絲和水蒸氣活化熱處理工藝，分別獲得了Si摻雜Ti02纖維和純的Ti02連續(xù)纖維。作為水處理功能化光催化新材料，特有的形態(tài)優(yōu)勢使其具有使用中耐水流沖擊負(fù)荷，使用后易于固液分離等特點，為有效解決上述實用化難題提供了全新的途徑。采用XRD、SEM、FT-IR、DSC-TG、UV-Vis DRS、XPS及N2吸附-脫附等多種現(xiàn)代分析表征手段對所制備的TiO2晶體纖維進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析。結(jié)合水中難降解偶氮染料X-3B為探針污染物的光催化實驗結(jié)果，較

3、為系統(tǒng)的研究了不同纖維產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)、吸光特點、表面織構(gòu)等理化特性，探討了纖維結(jié)構(gòu)與催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系，研究結(jié)果為研制具有實用化前景的光催化水處理新材料提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)儲備。本文的實驗內(nèi)容主要分三個部分：
　　 第一部分，以鈦酸四丁酯為Ti源，正硅酸乙酯為Si源，采用改進(jìn)的無模板劑的溶膠-凝膠法，結(jié)合離心紡絲工藝成功制備了Si摻雜介孔TiO2連續(xù)纖維。纖維產(chǎn)物直徑為10-20μm，由具有豐富介孔結(jié)構(gòu)的銳鈦礦Ti02納米晶構(gòu)

4、成。實驗條件下，Si的引入可以形成Ti-O-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這是獲得連續(xù)纖維的一個至關(guān)重要的因素。通過調(diào)節(jié)Si的摻雜量（Si/Ti摩爾比：0-0.20）和熱處理溫度，可以控制纖維的晶型晶貌、比表面積、孔結(jié)構(gòu)和催化效能。研究發(fā)現(xiàn)，適量Si的摻雜可以在優(yōu)化Ti02纖維的表面織構(gòu)，增強熱穩(wěn)定性和晶型穩(wěn)定性的同時顯著提高其光催化活性。其中，當(dāng)Si/Ti摩爾比為0.15，經(jīng)700℃熱處理后的TiO2纖維(0.15STF-700)具有最大的比表面積和

5、孔容，分別為127.7 m2·g-1和0.25cm3·g-1。同時也顯示出最佳的光催化活性：經(jīng)紫外光照射75min后，X-3B的降解率達(dá)到99.6％；經(jīng)太陽光照射3h后，X-3B的降解率和礦化率分別達(dá)到94.7％和58.9％。研究表明，自制Ti02纖維易于分離回收和循環(huán)利用，具有良好的光化學(xué)穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，經(jīng)6次重復(fù)利用后對底物的降解率依然保持在90％以上。水處理殺菌實驗結(jié)果則顯示，Si摻雜介孔TiO2纖維不僅在紫外光照射下具有良好

6、的殺菌效果，而且在無光照條件下具有一定的抑菌性。
　　 第二部分，以自制的TiO2晶體纖維(0.15STF-700)為原材料，用1.5％的HF水溶液和5％的稀HN03水溶液作為改性劑，對纖維進(jìn)行了表面改性，實現(xiàn)了F、N兩種元素的有效共摻雜，獲得了具有豐富雙（介）孔結(jié)構(gòu)和表面羥基的改性纖維。該纖維通過靜電引力和表面離子交換對陰離子染料X-3B表現(xiàn)出優(yōu)良的吸附效能，單純的吸附去除率即可達(dá)84％，為通過優(yōu)化預(yù)吸附富集過程強化自制纖維的

7、光催化作用提供了實驗依據(jù)。實驗表明，改性處理在大幅提高紫外光催化活性的同時顯示出同樣優(yōu)異的可見光催化活性，可見光照射45min后X-3B的降解率即可達(dá)98％，從而為研制開發(fā)寬頻和可見光響應(yīng)俱佳的實用新型光催化纖維材料提供了簡便宜行的方法。
　　 第三部分，以鈦酸四丁酯為鈦源，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為交聯(lián)模板劑，冰醋酸為穩(wěn)定劑和螯合劑，通過優(yōu)化紡絲體系的可紡性，采用改進(jìn)的溶膠-凝膠法方便快捷地制備了新型的TiO2晶體纖維前驅(qū)體。

8、流變性實驗結(jié)果，該紡絲體系屬于假塑性流體，PVP的加入有助于控制TiO2凝膠的粘度，當(dāng)表觀粘度在數(shù)Pa·s范圍內(nèi)即可經(jīng)干法紡絲制得直徑約40μm,且均勻有致的前驅(qū)體纖維；另一方面，PVP不僅可以有效降低TiO2的相轉(zhuǎn)變溫度，而且可以通過后續(xù)的熱分解產(chǎn)生大量的介孔結(jié)構(gòu)，增大纖維產(chǎn)物的孔容和比表面積。實驗條件下，采用獨特的程序升溫?zé)崽幚砉に嚕梢种平鸺t石相晶粒的快速生長，獲得結(jié)晶良好且比例適中的銳鈦礦/金紅石混晶。實驗表明，該混晶結(jié)構(gòu)的Ti