光催化TiO2杂化纳米纤维膜对染料废水的降解研究毕业论文
2021-12-28 20:57:03
论文总字数：15724字
摘 要
纺织印染业的染料废水，具有生化需氧量高、色度暗、生物降解困难等特点，而且有些处理方式会产生副产品，作为二次污染物，最终改变水质。因此，有必要发展一种高效率和成本效益的技术，以便在有机污染物随后排放到环境中之前降低其浓度。光催化技术的处理方法因为其成本低、效率高、重现性好、处理简单等优点引起了众多研究人员的兴趣。
本课题以TiO2/碳纳米管（CNTs）复配物为掺杂物，制备PAN复合纳米纤维膜，将其用于染料废水降解，实验中研究了纳米纤维膜中TiO2/CNTs质量复配比、水浴温度、紫外线照射时长等三个因素对染料废水讲解的影响。通过实验发现纺丝液中PAN浓度为9 %，纺丝电压为27.55 kV，进给速度为0.4 mL/h时可获得性能较好的纳米纤维膜。TiO2/CNTs质量复配比越高，温度越高、紫外线照射时间越长对染料降解效果最好。
关键词：印染废水 光催化 静电纺丝 纳米膜 TiO2/ CNTs
Abstract
Dye wastewater from textile printing and dyeing industry has the characteristics of high biochemical oxygen demand, dark color, and difficult biodegradation, and some treatment methods will produce by-products, as secondary pollutants, and ultimately change the water quality. Therefore, it is necessary to develop an efficient and cost-effective technology to reduce the concentration of organic pollutants before they are subsequently discharged into the environment. Because of its low cost, high efficiency, good reproducibility, simple treatment and other advantages, the photocatalysis treatment method has the characteristics of high biochemical oxygen demand, dark color, difficult biodegradation, and some treatment methods will produce by-products, as secondary pollutants, and ultimately change the water quality. Therefore, it is necessary to develop an efficient and cost-effective technology to reduce the concentration of organic pollutants before they are subsequently discharged into the environment. Because of its low cost, high efficiency, good reproducibility and simple treatment, many researchers are interested in the photocatalytic technology.
In this project, PAN nanometer nanotube (CNTs) compound is used as a dopant to prepare PAN composite nanofiber membrane, which is used for the degradation of dye wastewater. Three factors such as the temperature of the water bath and the duration of ultraviolet irradiation have an effect on the dye wastewater. Through experiments, it was found that the PAN concentration in the spinning solution was 9 %, the spinning voltage was 27.55 kV, and the feed rate was 0.4mL/h. The higher the mass ratio of TiO2/CNTs, the higher the temperature and the longer the UV irradiation time, the most effective degradation of dyes
Key Words: Printing and dyeing wastewater; Photocatalytic; Electrospun; Nanofilm; TiO2/CNTs
目 录
摘 要 1
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 印染污水 1
1.2 染料废水处理方法 1
1.3 光降解材料TiO2的研究现状 2
1.4 碳纳米管 3
1.5 TiO2/ CNTs复合纤维膜 4
1.6 本课题研究目标 4
第二章 实验原理 5
2.1 静电纺丝技术的基本原理 5
2.2 杂化纳米纤维膜制备 6
2.3 杂化纳米纤维膜对染料废水的降解 6
第三章 实验部分 7
3.1实验药品和仪器 7
3.2实验方案 8
3.2.1 纺丝液配制 8
3.2.2 静电纺丝工艺流程 9
3.2.3 纳米纤维膜性能表征 10
3.2.4 TiO2杂化纳米纤维膜对染液的降解 11
3.3 实验结果与分析 11
3.3.1 纳米纤维膜性能表征 11
3.3.2 TiO2杂化纳米纤维膜对染液的降解 14
第四章 实验结果与展望 17
4.1 实验结论 17
4.1.1 以TiO2/碳纳米管（CNTs）复配物为掺杂物，静电纺丝制备PAN复合纳米纤维膜 17
4.1.2 杂化膜对模拟染废水（活性红染液）的降解 17
4.2 展望 17
参考文献 19
致 谢 21
第一章 绪论
1.1 印染污水
纺织工业排放的废水是世界各地水污染的主要原因。在退浆、煮练、漂白、染色、印染、脱碱等工序中，产生了大量的染料废水，具有生化需氧量高、色度暗、生物降解困难等特点。我国纺织制造业每年排放高盐印染废水32.7亿吨左右，这种严重的污染将对水生生态系统产生永久性的负面影响，随着全球水的循环，这些污染物将威胁人类健康。可以想象，直接和间接食用受染料污染的水可能会在生物体内造成相当大的健康问题在染色过程中，染料的释放量通常在10-50 mg/L左右，这些浓度高到足以污染水生系统，并且染料多数极其稳定，这样的情况不仅破坏水体的生态平衡, 而且更为严重的是染料多为有毒物质[1], 所以处理工业废水，去除有毒着色剂是一项具有挑战性的任务之一。当不断的加强染料废水处理技术的突破提高之后，一方面对于环境方面的改善有了极大的帮助，也对环境的保护起到了积极作用；另一方面就是可以促进纺织工业的发展以及国民经济的提高。染料分子成分中不仅除了带有各类显色基团还有极性基团[2]。
1.2 染料废水处理方法
目前，包括物理、化学和生物过程在内的多种方法被用于检测和降解工业污染物[3]。具体的染料废水处理方法如下表1-1。
表1-1废水处理的方法原理和方式
方法名称 | 原理 | 具体方式 |
物理法 | 在去除和分离污水中的溶胶态、胶体态的污染物时通过化学反应，或者使用化学反应将污染物转化成无害物质 | 吸附、膜分离、萃取 |
化学法 | 在去除和分离污水中的溶胶态、胶体态的污染物时通过化学反应，或者使用化学反应将污染物转化成无害物质 | 化学氧化、化学混凝、电解法 |
生物法 | 通过细菌、真菌、放线菌、衣原体等微生物的去净化污水的方法（其原理是污水中有微生物繁殖时所需要的养分，微生物在吸收污水中的养分的过程中会降解有害物质，从而将污水中的部分有害物质除去） | 微生物修复技术、好氧法、厌氧法 |
然而，这些方法通常会产生副产品，作为二次污染物，最终改变水质。因此，有必要发展一种高效率和成本效益的技术，以便在有机污染物随后排放到环境中之前降低其浓度。光催化处理方法以其成本低、效率高、重现性好、处理简单等优点引起了众多研究人员的兴趣。
1.3 光降解材料TiO2的研究现状
近年来，光催化技术的发展已经成为人们相当关注的焦点。在众多不同的光催化剂中，纳米TiO2是最常见的光降解材料，纳米TiO2因其强大的氧化能力、分解有机污染物、超亲水性、化学稳定性、长寿命、无毒、低成本和对可见光的透明性而得到最广泛的研究和应用。用二水合硫酸氧钛和草酸钠为原料,经过提纯处理后获得TiO2纳米颗粒[4]。TiO2纳米颗粒用于光降解亚甲基蓝和苯酚，其光催化活性较高[5]。P. Frach等用电子束照射和脉冲磁控溅射的方法制备出了二氧化钛薄膜[6]。在该结构中引入空心高能量面还可以提高光催化性能。纤维或管的一维结构可能表现出较低的复合水平，可以通过静电纺丝或阳极氧化方法得到。对太阳能利用率很低[7]。近年来，很多研究者采取了多种方法，对TiO2进行改性[8-9]，为的就是让其光催化活性发生很大的改变。纤维或管的一维结构可能表现出较低的复合水平，可以通过静电纺丝或阳极氧化方法得到。静电纺丝的方法特别允许制造自立的非织造垫子，这在许多不同的应用中是有用的。二氧化钛纳米片作为一种二维结构，具有表面平整、高展比、低浊度、对基材附着力好等优点，可有效地应用于自洁玻璃中。我们还讨论了具有互连结构的整体TiO2材料的三维结构。这种独特的结构为纯化、分离和储存提供了潜在的优势。总的来说，二氧化钛材料的性能很大程度上取决于其结构和尺寸。当核心一维纳米材料被不同的纳米结构（如纳米线、纳米带、纳米纤维等）装饰时，将产生一种混合纳米结构，这有利于提高光催化材料活性，由此来看备受关注[10]。
1.4 碳纳米管
1976年，法国国家科学研究中心的Morinobu Endo观察到用化学气相生长技术合成的中空管状卷状石墨片。目前批量生产的多壁碳纳米管都与Endo开发的VPGCF密切相关[11]。
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