论文部分内容阅读
当前,水污染问题已经成为全人类共同面临的挑战。在众多的污水处理技术中,吸附法和光催化降解法具有快速、高效、操作简易等优点而倍受青睐。已经有多种吸附剂和光催化剂被人们广泛研究和应用。近年来,基于资源循环再利用的理念,以价格低廉、来源丰富、含碳量高且可再生能力强的天然生物物质为原料制备活性炭吸附剂的研究引起了研究者的广泛关注。同时,TiO2以其化学性质稳定、安全无毒、价廉等优点成为目前最受瞩目的光催化剂。但无论是吸附剂活性碳还是光催化剂TiO2,其回收都十分困难,不利于材料的循环利用且会造成二次污染。解决这类问题的有效方法之一便是通过与磁性材料的复合赋予材料磁性能,使得材料在有着高效的脱色性能的同时又能以磁性分离进行回收。CoFe2O4因在室温下具有高的饱和磁化强度以及良好的化学稳定性等特点成为最受欢迎的一类磁性材料,被广泛用作磁性载体,且铁酸钴的引入可以提高材料对染料的脱色效果。因而,CoFe2O4/C、TiO2/CoFe2O4材料的制备及对于染料的吸附/光催化降解脱色的研究具有重要意义。本论文主要围绕CoFe2O4/C和TiO2/CoFe2O4材料的制备这一主题,在无碱条件下,以棉花、柚子皮等生物材料为模板,利用模板-辅助溶剂热法合成了一系列不同形貌、性能优异的铁酸钴/碳（CoFe2O4/C）、铁酸钴/类石墨烯碳（CoFe2O4/LGC）材料;在此基础上,进一步利用溶胶-凝胶法制备了不同形貌的铁酸钴/二氧化钛（TiO2/CoFe2O4）复合材料。实验表明,CoFe2O4/C、CoFe2O4/LGC和TiO2/CoFe2O4材料有着高效的脱色性能的同时又能以磁性分离进行回收、再利用。该方法具有简易、高效、成本低廉、绿色、资源丰富等众多优点。论文由以下三部分组成:第一部分:CoFe2O4/C和CoFe2O4的棉花-辅助溶剂热法制备及脱色性能在无碱条件下,以脱脂棉（DC）为模板和碳源,以硝酸铁和硝酸钴为原料,通过本研究室建立的一种新方法,棉花-辅助溶剂热法制备了CoFe2O4/C。借助于XRD、FT-IR、TEM和SEM对制备的材料进行了表征。考察了溶剂种类（H2O和EtOH）、溶剂热温度、溶剂热时间、棉花用量对复合材料磁性能特别是饱和磁化强度的影响,并以样品对亚甲基蓝（MB）溶液的吸附实验为模型,测试了样品的吸附脱色活性。同时对最佳条件下得到的样品进行了低温活化处理,测试了低温活化样品的吸附活性。结果表明,利用棉花-辅助溶剂热法可以制备出具有良好吸附性能的纤维状CoFe2O4/C纳米材料,且复合材料的吸附活性随着溶剂热温度升高、时间的延长和棉花用量的增多而增强。低温活化使样品对MB染料具有更好的脱色性能。且上述样品均具有良好的磁性可分离性。因此,该复合材料是一种极具潜力的吸附剂材料。其次,利用棉花-辅助溶剂热法在无碱条件下制备尖晶石型CoFe2O4(CFfiber)。运用XRD、TG、TEM、SEM对制备的材料进行了表征。以样品对亚甲基蓝溶液的降解脱色实验为模型,考察了溶剂种类、煅烧温度和煅烧时间对样品的光催化降解活性的影响。结果表明:在无碱条件下利用棉花-辅助溶剂热法可以制备出中空纤维形貌的CFfiber材料。样品的饱和磁化强度值（78 emu/g）高于块体材料（72 emu/g）。在300 W汞灯的照射下,150 min内中空纤维形貌的CFfiber可以使MB的降解脱色率达到60%,降解过程符合一级动力学行为。并探讨了棉花辅助溶剂热法合成中空纤维CFfiber的反应过程。第二部分:CoFe2O4/LGC和CoFe2O4的柚子皮-辅助溶剂热法制备及脱色性能与脱脂棉相比,柚子皮（PP）作为废弃物,直接丢掉既造成了浪费,又污染环境。在第一部分工作的基础上,以柚子皮代替脱脂棉,同样利用模板-辅助溶剂热法制备了CoFe2O4/LGC。考察了溶剂种类、溶剂热反应温度、溶剂热反应时间及柚子皮用量对复合材料磁性和吸附活性的影响,并采用响应面法设计优化实验。对最优条件下得到的样品进行了低温活化处理,测试了低温活化样品的吸附活性。结果表明,利用一步柚子皮-辅助溶剂热可以制备出多层片状的CoFe2O4/LGC纳米磁性材料;低温活化样品对MB染料具有良好的吸附能力,最大吸附量可达28 mg/g,对MB的吸附动力学行为符合准二级吸附动力学模型;对亚甲基蓝分子的吸附热力学行为符合Langmuir吸附热力学模型;且在外加磁场作用下很容易进行分离。同样,利用柚子皮-辅助溶剂热法制备CoFe2O4（CFsheet）。以样品对MB溶液的降解脱色实验为模型,考察了溶剂种类和煅烧温度、煅烧时间对样品的催化降解脱色活性的影响。结果表明,溶剂:EtOH、煅烧温度:650 ℃、煅烧时间:1 h,在300 W汞灯的照射下,150 min内纳米片状CFsheet可以使亚甲基蓝的降解脱色率达到80%左右,降解过程符合一级动力学行为。第三部分:中空纤维状TiO2/CFfiber和片状TiO2/CFsheet的制备及光催化性能在第一部分成功制备中空纤维CFfiber的基础上,通过溶胶-凝胶法以中空纤维状CFfiber为核制备具有核壳结构的TiO2/CFfiber复合材料。运用XRD、SEM、VSM、UV-Vis对制备的复合材料进行了表征。以样品对MB溶液的降解脱色实验为模型,考察了煅烧温度、煅烧时间和复合量对样品催化活性的影响。SEM结果表明该纳米复合材料呈纤维状核壳结构。XRD结果表明复合材料TiO2/CFfiber中TiO2为单一锐钛矿结构,CoFe2O4为尖晶石结构。VSM结果表明复合材料的饱和磁化强度弱于纯CFfiber纤维材料,但可以在外加磁场的作用下快速分离。与TiO2相比,复合材料对光的吸收拓展到了整个紫外-可见光区,且吸收强度增强,复合材料的光催化活性强于相同条件下制备的TiO2和CFfiber。同样,在第二部分成功制备片状CFsheet的基础上,通过溶胶-凝胶法以片状的CFsheet为核制备TiO2/CFsheet复合材料。SEM结果表明利用溶胶-凝胶法可以制备出片状的核壳TiO2/CFsheet复合材料。VSM结果表明TiO2/CFsheet的磁化强度弱于CFsheet材料,但可以在外加磁场的作用下快速分离。光催化结果表明,煅烧温度:350 ℃、煅烧时间:2 h、复合量42OCo Feω:30%制备的样品TiO2/CFsheet在300W汞灯的照射下30 min内可以使MB的降解脱色率达到99%,其光催化活性强于相同条件下制备的TiO2和CFsheet,降解过程符合一级动力学行为。