玻璃基納米復(fù)合TiO-,2-光催化膜的制備與滅菌性能研究.pdf

1、世界范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)及傳統(tǒng)材料的日益匱乏，為抗菌材料的研究提供了社會(huì)背景和生態(tài)意義。復(fù)合納米TiO2這類(lèi)生態(tài)環(huán)?？咕牧鲜钱?dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。它不僅可以解決TiO2的分散與固定化問(wèn)題，而且通過(guò)載體的吸附作用可以在催化劑表面區(qū)域形成反應(yīng)物的富集，促進(jìn)傳質(zhì)過(guò)程，從而提高光催化反應(yīng)的效率。 本文的研究?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)部分：(1)金屬摻雜玻璃基納米TiO2膜的制備、合成、表征及評(píng)價(jià)；(2)通過(guò)含偶氮染料云母珠光顏料工業(yè)廢水的

2、光催化降解，探索玻璃基納米TiO2膜的制備條件并對(duì)其光催化氧化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；(3)改性TiO2膜的光催化滅菌研究。文中系統(tǒng)研究了制備玻璃基納米TiO2膜的基礎(chǔ)性問(wèn)題；探索并優(yōu)化在基材表面制備納米TiO2膜的工藝條件；重點(diǎn)研究了主要因素影響玻璃基納米TiO2晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律；分析了摻雜合成的微觀機(jī)制和界面、表面反應(yīng)機(jī)理；利用TiO2光催化降解偶氮廢水研究影響TiO2活性的制備條件；探討了TiO2膜的光催化殺滅細(xì)菌機(jī)理；首次利用TEM對(duì)古菌光

3、催化殺滅過(guò)程進(jìn)行表征。分析了古菌的結(jié)構(gòu)及光催化滅菌的反應(yīng)歷程。具體的研究?jī)?nèi)容如下： 一、玻璃基納米TiO2晶體膜的制備、表征及性能 1.系統(tǒng)地考察了影響玻璃基納米二氧化鈦光催化活性的諸因素。重點(diǎn)研究了前軀體配比、干燥溫度、煅燒溫度、煅燒時(shí)間及鍍膜次數(shù)等因素對(duì)玻璃基二氧化鈦晶相結(jié)構(gòu)及光催化活性的影響。 2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，采用溶膠-凝膠法制備出純二氧化鈦和摻鐵、摻鈰二氧化鈦溶膠，鍍膜于載玻片上，解決了以往納米二氧化鈦

4、光催化劑難以回收的問(wèn)題。 3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定影響制備玻璃基納米TiO2的因素主次順序?yàn)椋呵膀?qū)體配比>煅燒溫度>煅燒時(shí)間>溶膠反應(yīng)溫度。Ti(OC4H9)4： C2H5OH： HNO3： H2O=1：15：0.35：2；煅燒時(shí)間為2.0h；煅燒溫度為450℃；溶膠反應(yīng)溫度為40℃。選擇鍍膜次數(shù)為2次。煅燒溫度450℃是玻璃基材表面銳鈦礦二氧化鈦晶相最穩(wěn)定的生成溫度。 二、金屬摻雜玻璃基納米TiO2晶體膜的合成、表征及評(píng)價(jià)

5、 1.為驗(yàn)證光催化材料擴(kuò)大光譜可利用范圍，研究了光激發(fā)源由紫外光延至可見(jiàn)光的可能性和效果。 2.采用XRD、UV-Vis、HRTEM等技術(shù)對(duì)玻璃基摻雜金屬離子納米TiO2光催化材料的晶體結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)元素組成及化學(xué)狀態(tài)、納米TiO2晶體膜進(jìn)行綜合表征分析。 三、含偶氮染料云母珠光顏料工業(yè)廢水的光催化降解 1.研究了一種反應(yīng)速度快、降解脫色率高的催化降解工藝方法，使光催化研究取得了新的進(jìn)展。

6、2.二氧化鈦光催化降解偶氮染料的反應(yīng)機(jī)理是：TiO2光催化氧化降解偶氮染料的過(guò)程是一個(gè)首先破壞C—O—C、C—C鍵，而后N=N雙鍵斷開(kāi)的過(guò)程。 四、改性TiO2膜的光催化滅菌作用 1.針對(duì)改性TiO2膜的光催化滅菌效率進(jìn)行了研究：以革蘭氏陽(yáng)性及陰性代表菌種和枯草芽孢桿菌為研究對(duì)象，利用電鏡表征細(xì)菌細(xì)胞形態(tài)的變化情況，同時(shí)采用平板計(jì)數(shù)法評(píng)估改性TiO2膜的殺菌效果。研究結(jié)果表明，改性TiO2膜殺菌效率明顯高于純TiO2膜。

7、如Fe3+摻雜使TiO2膜的大腸桿菌殺菌率由87.4％提高至95.8％，金黃葡萄球菌殺菌率由79.4％提高至88.3％，枯草芽孢桿菌殺菌率由80.4％提高至86.3％。Ce4+的摻雜使TiO2膜的大腸桿菌殺菌率由87.4％提高至92.7％，金黃葡萄球菌殺菌率由79.4％提高至94.3％，枯草芽孢桿菌殺菌率由80.4％提高至87.7％。由此可知，一定比例的金屬摻雜可提高TiO2膜的殺菌效果。 2.首次對(duì)微生物三域中的古菌進(jìn)行了光催

8、化滅菌研究。采用365nm、310nm紫外線(xiàn)反應(yīng)時(shí)間40分鐘可殺死絕大多數(shù)古菌。含F(xiàn)e3+—TiO2膜的殺菌作用優(yōu)于純TiO2膜，J7菌殺菌率由88.6％提高至94.5％，同等情況310nm紫外線(xiàn)殺菌率從90.7％提高至93.5％。同樣含Ce4+—TiO2膜的殺菌作用優(yōu)于純TiO2膜，J7菌殺菌率由88.6％提高至95.3％，同等情況310nm殺菌率由88.7％提高至94.8％。 3.本文首次探討了不同TiO2膜對(duì)古菌的光催化殺

9、滅機(jī)理。在紫外線(xiàn)的照射下，TiO2生成·OH自由基和H2O2。依賴(lài)于細(xì)胞膜上獨(dú)特的Na+—K+交換體系，J7嗜鹽古菌能夠在高鹽環(huán)境下生存。古菌借助于該體系迅速外排Na+離子，從而使胞內(nèi)Na+離子濃度維持在正常范圍。在TiO2光催化劑與古菌反應(yīng)時(shí)，外排的大量Na+離子可能會(huì)與Ti鍵產(chǎn)生相斥作用，使羥基自由基（·OH)與活性氧類(lèi)物質(zhì)通過(guò)破壞菌壁殺傷J7嗜鹽古菌的效能下降。而H2O2的穿透性強(qiáng)，能夠進(jìn)入古菌細(xì)胞導(dǎo)致菌內(nèi)蛋白質(zhì)變性分解，DNA分