功能性纖維素基氣凝膠的制備及其對染料的吸附降解行為研究.pdf

1、紡織工業(yè)廢棄纖維素資源的生態(tài)高值化轉(zhuǎn)化再利用及紡織廢水處理是當(dāng)前紡織行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展所面臨的關(guān)鍵性問題。本論文以廢棄棉纖維為原料，采用化學(xué)改性制備纖維素基氣凝膠，通過可控制備的工藝研究結(jié)構(gòu)與性能間的相互作用關(guān)系;研究其對染料分子的吸附主客體間的相互作用關(guān)系及吸附機制;在此基礎(chǔ)上，采用化學(xué)原位沉積法對氣凝膠進行功能化組裝制備氧化亞銅/纖維素基復(fù)合催化劑可見光催化體系，給予復(fù)合催化劑高效的吸附性能和多孔性，并研究其催化性能和對染料分子的降

2、解機理。論文研究結(jié)果如下:
　　(1)纖維素基氣凝膠的可控制備及其性能研究:以廢棄棉纖維為原料接枝丙烯酸和丙烯酰胺，通過低溫聚合制備纖維素基氣凝膠。考察了合成體系中交聯(lián)劑MBA使用量、單體AA/(AA+AM)的質(zhì)量比、冷凍水添加量等對樣品結(jié)構(gòu)性能的影響。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外分析儀(FTIR)、羧基氨基含量和溶脹度及孔隙率等手段對樣品進行分析。發(fā)現(xiàn)通過改變交聯(lián)劑使用量和冷凍水添加量可實現(xiàn)對孔結(jié)構(gòu)可控性，通過改變功能性單

3、體比例可實現(xiàn)對官能團的控制，獲得了孔徑20-250μm，官能團含量羧基4.21-5.47mmol g-1、氨基2.70-6.36mmol g-1之間的樣品，實現(xiàn)了纖維素基氣凝膠的可控制備。
　　(2)纖維素基氣凝膠對染料分子的吸附行為及吸附機理研究:以亞甲基藍(MB)和酸性紅(AR1)為污染物模型，研究纖維素基氣凝膠在不同的吸附劑用量、染料初始濃度、吸附時間、pH、溫度及離子強度等條件下對染料分子的吸附行為，探討主客體間的相互作用

4、關(guān)系及吸附機制。發(fā)現(xiàn)該三維大孔結(jié)構(gòu)的表面富含羥基、氨基、羧基等官能團的纖維素基氣凝膠展示對染料較強的吸附性能，對MB的吸附量達998mg g-1、AR1的吸附量達523mg g-1，吸附過程遵循偽二級動力學(xué)模型和Langmuir吸附等溫線模型是靜電力和氫鍵作用力的下的單分子層吸附。此外，纖維素基氣凝膠對pH、溫度等環(huán)境適應(yīng)性強，具有良好的可重復(fù)循環(huán)利用性，是一具實際應(yīng)用前景的生物質(zhì)吸附材料。
　　(3)Cu2O/纖維素基復(fù)合催化劑

5、功能化組裝及其可見光催化性能:將Cu2O的可見光催化活性和纖維素基氣凝膠的三維連通的多孔結(jié)構(gòu)、大比表面積和高吸附能力相結(jié)合，采用原位化學(xué)沉積法對氣凝膠進行功能化組構(gòu)建了Cu2O/纖維素基復(fù)合催化劑。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、氮氣吸附/脫吸附(BET)、光致光譜(PL)、紫外-可見-近紅外光譜儀(UV-vis-NIR)等手段對樣品的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)和相組成等進行了表征。結(jié)果顯示，Cu2

6、O/纖維素基復(fù)合催化劑表面及孔壁上均勻的鑲嵌正八面體的氧化亞銅納米粒子，有效的避免了納米粒子的團聚，基體的引入擴展了復(fù)合催化劑的光吸附能力、有效的抑制光生電子和空穴的復(fù)合幾率。以MB為污染物模型考察復(fù)合催化劑在不同催化劑使用量、染料濃度、pH、溫度等條件下的可見光催化降解性能，結(jié)果表明復(fù)合催化劑具較強的催化降解性能，優(yōu)秀的可循環(huán)利用性能和較強的性能穩(wěn)定性?？梢姽庹?0min對MB的催化降解率達到95％以上，經(jīng)過6次循環(huán)使用后，復(fù)合催化劑

7、對MB的催化的降解率仍然高于80％，并且其表面形貌、表面晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)穩(wěn)定性得以保持。
　　(4)Cu2O/纖維素基復(fù)合催化體系對亞甲基藍的降解機理及分解歷程:采用X射線光電子能譜(XPS)研究發(fā)現(xiàn)氧氣的富集能力是復(fù)合催化劑高效催化的關(guān)鍵機制因素。通過活性種捕獲實驗發(fā)現(xiàn)催化過程中羥基自由基和超氧自由基是主要的催化活性物。此外，催化劑表面三維多孔結(jié)構(gòu)和多個活性位點提供的多吸附位及基體材料和納米顆粒之間的協(xié)調(diào)效益是復(fù)合催化劑催化性能提

8、高的重要因素之一。Cu2O/纖維素基復(fù)合催化劑對MB的分解歷程推測為首先被斷裂的是S-Cl鍵，隨后是C-S和C-N鍵的破壞斷裂，分解過程中有對苯二酚、間苯二酚、苯醌和鄰苯二酚等中間產(chǎn)物的產(chǎn)生。該研究結(jié)果為Cu2O/纖維素基復(fù)合催化劑在光催化領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了一定理論及實驗依據(jù)。
　　綜上所述，以廢棄棉纖維為原料制備纖維素基氣凝膠實現(xiàn)其制備工藝的可控性，研究其對染料分子的吸附性能，并通過功能化設(shè)計構(gòu)建可見光催化體系，研究其催化降解性