二氧化钛-硫醇/分子印迹复合材料的水相制备及其选择吸附、光降解2,4-二硝基酚的研究

来源 :湖南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lyh682020
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近年来,作为优先污染物,酚类污染物引起全球广泛关注。特别是其中的2,4-二硝基酚,作为一种重要的硝基酚形式,由于其致癌性、剧毒性、生物降解能力低、易生物积累等问题,备受关注,寻求有效的治理措施至关重要。二氧化钛作为一种广泛应用的光催化剂,由于其强氧化能力、成本低、无毒、无二次污染等优点,在环境净化领域备受推崇。特别是,在紫外光照射下,二氧化钛能产生超氧自由基,展示了极强的氧化能力,可以将大部分有机物催化降解成二氧化碳和水。然而,其禁带宽度宽,可见光利用率低,选择性差,不能在混合溶液中对特定的剧毒污染物进行选择性识别和优先去除,限制了该材料在污水处理领域的进一步的应用与发展。值得注意的是,过去近30年里,因为具有特异识别性、构效预定性和广泛适用性等优点,分子印迹技术引起了人们广泛的关注。作为一个研究热点,将二氧化钛光催化技术与分子印迹技术相结合,可对特定的污染物进行选择性吸附和光催化降解。同时,随着分子印迹技术从亲脂性向亲水性发展,水溶性分子印迹聚合材料逐渐成为研究热点。不同的是,传统分子印迹聚合物的合成过程大部分是在有机溶剂中合成,然后转移到水溶液中进行实际应用。然而,合成的印迹空腔在这转移过程中可能会引起形变、损害,影响最终的印迹效果。而水溶性分子印迹聚合物的合成不仅避免了这种可能的损害,还有效的减少了有机溶剂的使用,减少了对环境的损害。基于以上研究背景,本实验探索研究一种巯基功能化的二氧化钛分子印迹复合材料及其水相制备方法,应用于水中的2,4-二硝基酚的选择性吸附、光催化降解,主要实验内容如下:(1)将二氧化钛(TiO2)活化制得二氧化钛-硫醇(TiO2-SH),并以TiO2-SH为印迹载体,2,4-二硝基苯酚(2,4-DNP)为模板分子,邻苯二胺(OPDA)为功能单体和交联剂,3-巯丙基-三甲氧基硅烷(MPTMS)为偶联剂,在过硫酸铵引发下于水相中进行聚合,形成分子印迹聚合物,然后将分子印迹聚合物中的模板分子洗脱后制备得到巯基功能化的二氧化钛分子印迹复合材料(CMIP-coated TiO2)。同时,在相同的实验条件下(过程中不添加模板分子2,4-DNP)制备出相应的二氧化钛非印迹复合材料(CNIP-coated TiO2)。通过场发射扫描电镜(FESEM)、比表面积(BET)、傅里叶红外变换光谱(FTIR)、紫外-可见光固态反射光谱(UV-vis DRS)、X射线衍射仪(XRD)和Zeta电位仪等表征手段,结合相应特征判定材料的制备是否成功。数据表明:分子印迹层成功印迹在TiO2的表面。(2)利用上述制备的CMIP-coated TiO2和CNIP-coated TiO2材料对水体中2,4-DNP进行吸附研究。实验结果表明:当pH=5.0,吸附时间为20 min,2,4-DNP初始浓度为15 mg L-1时,CMIP-coated TiO2对2,4-DNP的吸附效果可达到7.16 mg g-1,是非印迹材料的1.59倍。此外,在混合溶液中,还通过比较CMIP-coated TiO2和CNIP-coated TiO2对2,4-DNP和4-硝基酚(4-NP)的吸附效果,探究CMIP-coated TiO2对2,4-DNP的特异性吸附性能。结果表明:所制备的CMIP-coated TiO2和CNIP-coated TiO2对2,4-DNP和4-NP的选择系数分别为5.8278、4.6983,对2,4-DNP具有良好的选择性。(3)通过建立吸附动力学、吸附等温线等模型来研究CMIP-coated TiO2和CNIP-coated TiO2对2,4-DNP的吸附机理。结果表明:Langmuir吸附等温线模型可以更好地描述CMIP-coated TiO2和CNIP-coated TiO2对2,4-DNP的吸附平衡过程,表明材料对2,4-DNP的吸附属于单层吸附且结合位点是均匀分布的。同时,进一步研究了其吸收强度,并且CMIP-coated TiO2和CNIP-coated TiO2的RL值都位于01之间,证明此吸附对光催化过程是有利的。(4)利用制备的CMIP-coated TiO2和CNIP-coated TiO2材料对2,4-DNP进行催化研究。结果表明:当pH为5.0,催化反应时间为120min,2,4-DNP初始浓度为15 mg L-1时,CMIP-coated TiO2和CNIP-coated TiO2对2,4-DNP的催化降解率分别为55.61%和35.68%,表明CMIP-coated TiO2对2,4-DNP具有良好的催化降解性能。且研究发现催化动力学符合一级动力学模型。同时,探索了溶液的pH值、初始浓度等因素对实验中CMIP-coated TiO2降解目标污染物2,4-DNP的效率的影响,并分析其原因。(5)探索制备的CMIP-coated TiO2材料的重复利用性。数据表明:经过5次重复的洗脱-吸附-降解实验,总去除效率从76.42%轻微下降到63.26%,表明材料具有一定重复利用性能,可用于水污染处理的实际运用中。
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