静电纺丝为支撑的MOFs膜的制备及其去除水相中氯霉素的研究

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水是生命之源,水质的优劣将直接影响人类的生命健康。近年来,随着人口的增长和经济社会的发展,药物及个人护理品(Pharmaceutical and Personal Care Products,PPCPs)被广泛使用,残留物排入环境水体中,对人体健康和环境造成潜在的影响。氯霉素(Chloramphenicol,CAP)作为PPCPs的一种,属于新型的持续性有机污染物,常规的废水处置方法通常无法将其完全去除,往往能够在环境中积聚。吸附法和光催化法具有处理效果好,成本很低,操作简单,不会造成二次污染等优势,在水处理方面深受欢迎,成为深度处理CAP废水的有效方法。同时,吸附剂和光催化剂可以再生利用,从而实现CAP的回收以及废弃物资源化利用。因此,从环境治理与资源化利用的角度出发,以上两种方法具有广阔的应用前景。吸附剂和光催化剂的性能是决定该方法有效与否的关键条件,开发新型高效的吸附剂和光催化剂一直以来是国内外学者研究CAP废水治理的热点。金属有机框架物(metal-organic frameworks,MOFs)因其特有的优点,在许多领域已展现出了潜在的应用价值。但在实际水处理应用中,粉末状MOFs存在难以从水溶液中分离及回收利用、容易团聚等缺点。本研究通过将MOFs与电纺纳米纤维相结合,成功制备了一种新型复合材料;利用多种表征手段对制备的四种吸附剂和三种光催化剂的晶相、形貌、元素组成及重复利用性等进行分析研究;并应用于水相中CAP的吸附分离和光催化降解,并探讨其吸附和降解机理。具体工作如下:(1)聚乙烯醇(PVA)/SiO2为基底的PVA/SiO2@MOFs复合材料的制备及其吸附性能研究。以PVA/SiO2电纺纳米纤维膜为基底,利用多巴胺(PDA)功能化改性,再通过原位生长法在其表面负载各种MOFs晶体,合成了PVA/SiO2@MOFs复合材料。结果表明,PDA改性后的PVA/SiO2电纺纳米纤维表面富含了-OH和-NH2官能团,可以为MOFs晶体的生长提供成核位点,从而提高晶体的负载率,获得均匀致密的MOFs膜。将制备的四种PVA/SiO2@MOFs膜(MIL-53(Al)、ZIF-8、Ui O-66-NH2和NH2-MIL-125(Ti))用于CAP吸附,并利用吸附动力学模型和等温吸附模型对吸附的内在机制进行了探究。每种PVA/SiO2@MOFs复合材料均对溶液中的CAP表现出了良好的吸附性能,室温下MIL-53(Al)、NH2-MIL-125(Ti)、ZIF-8和Ui O-66-NH2对CAP的吸附容量分别达到了79.5 mg·g-1,49.5 mg·g-1,25.1mg·g-1和13.9 mg·g-1,其中,PVA/SiO2@MIL-53(Al)膜对CAP的吸附效果最好,可以快速高效的去除CAP。(2)TiO2电纺纳米纤维负载MOFs复合材料的制备及其光催化性能研究。采用静电纺丝技术,制备PVP/TiO2电纺纳米纤维。再通过高温煅烧去除聚合物PVP,并促进TiO2向锐钛矿型转化,然后,用原位生长法在其表面沉积三种MOFs晶体(ZIF-8、Ui O-66-NH2和NH2-MIL-125(Ti)),合成了TiO2@MOFs复合材料。结果表明,PVP煅烧后在TiO2纤维表面留下的孔道有利于MOFs晶体的生长成核,得到连续的MOFs膜。测试制得的样品分别在紫外光和可见光照射下对CAP的光催化降解性能和MOFs膜的重复利用率,并利用动力学模型分析其光催化降解机理。与纯的MOFs晶体和TiO2相比,TiO2@MOFs复合材料的光催化性能有所提高,其中,TiO2@Ui O-66-NH2复合膜的光催化活性最高,在紫外光和可见光辐射下对CAP具有很高的光催化降解效率,光照120min后,分别能够达到96.73%和84.32%。且TiO2@MOFs复合材料的光催化反应符合一级反应动力学模型,再生实验证明,该材料在经过重复使用三次后,仍然维持较高的降解率。本课题的研究工作表明,利用高压静电纺丝技术制得的PVA/SiO2和PVP/TiO2电纺纳米纤维,作为MOFs晶体生长的支撑基底,通过原位生长法将MOFs晶体分别与PDA改性后的PVA/SiO2和煅烧后的TiO2电纺纳米纤维结合,制备了PVA/SiO2@MOFs和TiO2@MOFs复合材料。整个制备过程,合成路线简单,可操作性强,具有良好的应用前景。并且,制备的两种MOFs复合膜分别具有较高的吸附容量和光催化降解率,可以实现CAP的有效去除。对于治理CAP造成的环境污染问题,具有重要的现实意义。
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