ZnO/活性炭纤维复合材料的研究

【摘要】：ZnO光催化氧化降解技术是一种节能、高效的绿色环保新技术,它具有化学稳定性高、成本低、氧化能力强、降解效果好且无毒无污染等优点。ZnO光催化剂在废水处理、空气净化等领域具有诱人的应用前景。在紫外光照射下,纳米ZnO能分解有机物质,能抗菌和除臭,被认为是极具应用前景的高活性光催化剂之一。目前采用ZnO光催化氧化降解技术进行废水处理时所使用的光催化剂主要有两种,即直接使用ZnO粉体的悬浮体系与将ZnO负载于载体上进行光催化反应这两种形式。悬浮态ZnO纳米催化剂存在着易凝聚、易中毒,光利用率低,回收困难等缺点,限制了它的大规模使用。ZnO块体或球体催化剂表面吸附性较差且反应慢、降解时间长。而ZnO光催化剂的固化负载兼具了载体的高效吸附性能和纳米ZnO的高效光催化性能,使得固化负载的ZnO光催化剂成为ZnO光催化技术污水处理发展的必然趋势。 活性炭负载型ZnO的光催化活动中,活性炭载体以其强吸附性能提供了高浓度有机污染物的反应环境,将活性炭的吸附性能与ZnO光催化活性进行结合,使得负载型ZnO既具备了纳米ZnO高光催化性能,又具备较好的沉降分离性质,利于催化剂的回收利用。扩散作用的存在则使吸附在载体上的有机污染物有效分解成为可能,使催化剂与载体的相互作用模型得以原位再生,从而使污染物的光催化降解反应速率大大提高。与此同时活性炭生产成本较低,能够大规模生产,有利于加强光催化技术的工业化生产。 活性炭纤维(ACFS)是炭纤维技术和活性炭技术相结合的基础上发展起来的,是继粉状和粒状活性炭之后第三代活性炭产品,具有优异的吸附性能,吸附容量大。本课题选择纸巾为原材料,分别通过CO_2物理活化法和KOH化学活化法制备活性炭纤维。两种方法制备的活性炭纤维,扫面电镜观测其微观结构为多孔纤维状,XRD衍射峰宽化,所得的活性炭都是无定形态的。CO_2 880℃活化纸巾2 h、3 h制得活性炭纤维比表面积分别为1517 m~2/g、1474 m~2/g,平均孔径约为3 nm。KOH化学活化纸巾制备活性炭纤维,比表面积高达1388 m~2/g。分别研究了两种方法不同活化时间对活性炭纤维比表面积的影响。两种方法制备的活性炭纤维作为吸附剂进行亚甲基蓝吸附实验研究,用Langmuir和Freundlich吸附模型分析实验数据,并研究pH值对活性炭纤维吸附亚甲基蓝影响。活性炭纤维吸附速率更适于Pseudo-second-order动力学模型,相关系数高达0.998。整个浓度变化区间Langmuir吸附等温线比Freundlich吸附等温线更适合实验数据。所制备活性炭纤维对亚甲基蓝最大平衡吸附量为520 mg/g,实验发现pH值越高活性炭纤维对亚甲基蓝吸附量越大。 将制得的活性炭纤维(ACFS),浸渍在Zn(NO_3)_2.6H_2O溶液中,通过煅烧最终制备出ZnO/ACFS复合材料。并研究ZnO负载量、煅烧温度等因素对ZnO/ACFS复合材料光催化降解效果的影响,实验发现ZnO/80%ACFS(ZnO负载量为20%),煅烧温度为700℃,ZnO/80%ACFS具有很好的光催化降解效果,紫外灯照射120 min后降解率达到99%以上,亚甲基蓝几乎完全降解。