壳聚糖/半导体复合材料的合成及其在染料污染物处理中的应用

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壳聚糖因为其优良的生物相容性、可生物降解、无毒、吸附等特性,已广泛地被应用于医学、食品等方面。同时,由于壳聚糖分子中含有大量基团-NH2和-OH,具有很强的吸附能力,已广泛用于工业废水中有毒重金属离子的去除和有毒染料的脱色。本文以壳聚糖为基础物质,合成壳聚糖微球并研究其对染料的吸附性能;以壳聚糖微球为模板,用紫外灯照射,首次用光化学法合成壳聚糖/半导体复合材料,并探讨其对染料的光催化降解能力和降解机理;以壳聚糖薄膜为载体吸附氧化石墨,然后在氧化石墨表面上构筑二氧化锡多孔膜;还利用光化学法合成未交联的壳聚糖/半导体材料,并探讨其光催化性能。主要工作和取得的主要实验结果包括以下四个部分:  (1)分别用反相乳液交联法、电沉积法、光引发法合成壳聚糖微球,并探讨了不同合成条件对产物的影响。利用扫描电镜(SEM)、红外光谱(IR)、X射线能谱(XPS)对产物的形貌、官能团、元素进行了表征。同时探讨了壳聚糖微球对染料偶氮荧光桃红的吸附能力,实验讨论出其吸附染料的最佳pH,最适宜吸附剂用量和染料的初始浓度,并讨论了其吸附的等温线和动力学。  (2)以壳聚糖微球为模板,硫代硫酸钠(Na2S2O3)和硫酸镉(CdSO4)混合溶液为前驱体,在8W254nm紫外灯的照射下,利用光化学方法在微球表面沉积CdS纳米颗粒制备了壳聚糖微球/硫化镉(CM-CdS)复合微球。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试对其产品进行表征。以合成的CM-CdS复合半导体材料为催化剂,以甲基橙为降解的目标产物,比较CM-CdS复合微球和纯CdS在紫外光下的光催化活性,并探讨了催化剂的用量、染料的初始浓度、CdS在壳聚糖微球表面的生长时间对CM-CdS催化降解染料的影响和催化的动力学,同时加入羟基自由基捕获剂叔丁醇,空穴捕获剂甲醇和通入氮气来探讨其光催化机理。实验结果表明:CM-CdS的光催化降解染料的降解率是纯CdS的6.8倍;随着催化剂的用量的增多,染料的降解率明显增大,且根据其动力学曲线分析其降解速率也是增大的;随着染料的初始浓度的增大,染料的降解率有所增大,但其降解速率是减小的;随着CdS在壳聚糖微球表面的生长时间的增长,CM-CdS对染料的吸附作用逐渐减小而光催化降解作用逐渐增大,这是与暴露在外面的壳聚糖和CdS粒子数相关的;加入叔丁醇和甲醇后,CM-CdS降解染料的降解率没有下降反而有小部分的升高,而通入氮气后,染料的降解率明显下降,说明,在光催化作用中,起主要催化作用的物质是超氧负离子(·O2-),从而证明了其光催化机理。  (3)以壳聚糖薄膜为载体,吸附氧化石墨后,以苯乙烯-马来酸酐共聚微球为模板,制备壳聚糖-氧化石墨-二氧化锡多孔膜,通过扫描电镜(SEM)观察其形貌特征,并探讨其对染料的光催化性能。  (4)用光引发法合成未交联壳聚糖-硫化镉复合半导体纳米粒子,以甲基橙为降解的目标产物,探讨其光催化性能和不同条件下的光催化降解效果。
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