基于ZIF-8的复合材料制备及其光催化降解染料废水性能研究

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sherry_yang
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随着纺织、化工、食品等行业规模的迅速发展,所产生的未经处理的废水中含有大量的染料,染料由于其稳定的化学性质和苯环结构,对人体具有毒性和致癌性,并且对环境和生物造成很大的危害。传统的水处理技术有物理吸附、化学沉淀等,但是分离效率不高还可能造成二次污染。光催化氧化技术是一种新型的高级氧化技术,以半导体材料作为催化剂,将吸收的光能直接转化为化学能,产生具有强氧化性与还原性的光生电子-空穴对,把对人体有害的污染物降解生产H2O、CO2等无机小分子。但是作为一种绿色技术却有着重大的缺点:在降解后难以回收水中的光催化剂。膜处理法具有易操作、能耗低、截留率高等优点备受青睐,因此将光催化剂与膜技术相结合具有广阔的应用前景,不仅可以循环使用,并且减少膜表面污染。本研究首先采用前驱体法在锐钛矿型TiO2表面原位生长ZIF-8,优化了工艺流程,制备出具有优异光催化能力的TiO2/ZIF-8复合纳米粒子,通过改变TiO2和ZIF-8的摩尔比对其进行了对Rh B溶液的光催化性能的影响。结果表明:制备得到的TiO2/ZIF-8复合材料结构更加紧密,比表面积增大,热稳定性更好,在250℃下能够保持稳定结构。同时TiO2与ZIF-8形成异质结增强了协同作用,提高了对紫外光的吸收率。当TiO2/ZIF-8复合材料的摩尔比为(1:2)时,具有最好的光催化活性,在初始浓度为10 mg/L的Rh B溶液在300 min紫外光下降解率为92.74%,并且经过五次循环后,光催化降解率还能保持在85%以上。同时通过将TiO2/ZIF-8纳米材料与PVDF共混,通过相转化法制备了一种具有光催化性能的新型海绵状多孔TiO2/ZIF-8/PVDF复合膜。当TiO2/ZIF-8复合纳米催化剂的含量为14 wt%时,PVDF基体在各方面的性能最好,孔隙率为84.34%,纯水通量为83.3 L·m-2·h-2,在300 min后光催化降解Rh B效率为64.7%。其次通过共沉淀法制备了ZIF-8/ZnO复合材料,共同煅烧后得到了C-ZnO复合纳米粒子,通过控制ZIF-8/ZnO的不同质量比来对复合纳米粒子进行了各种表征,以光催化降解MB染料的效果来确定其最佳质量比,可以得知:当ZIF-8与ZnO的质量比为1:2,煅烧温度为500℃,煅烧时间为300 min时,在紫外光照射40 min后对10 mg/L的MB溶液的光催化降解效率为95.87%。ZIF-8/ZnO的复合材料经过煅烧后产生了棒状结构,并且产生了表面具有缺陷和带有C掺杂的ZnO。通过BET分析测试出C-ZnO复合纳米粒子的孔径和孔体积相比于ZnO和ZIF-8(500℃)都增大了数倍,这提高了纳米光催化剂的吸附能力。在此基础上选取光催化性能最好C-ZnO复合纳米粒子通过相转化法与PVDF复合成膜,探究了C-ZnO复合纳米粒子添加含量对C-ZnO/PVDF复合膜表面形貌、孔隙率、纯水通量和光催化性能的影响。结果表明:当C-ZnO复合纳米催化剂的含量为15 wt%时,PVDF基体在各方面的性能最好,孔隙率为83.94%,纯水通量为280.56 L·m-2·h-2,在270 min后光催化降解MB效率为95.01%,并且经过5次循环使用后,光催化降解效率仍然能达到90.03%。通过自由基捕获实验得知C-ZnO/PVDF复合膜光催化降解MB的过程中超氧自由基起主要作用。并且在不同p H条件下都能降解染料,同时具有光催化降解多种染料的能力。
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