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有机修饰疏水型纳米钛柱撑粘土材料的合成及其在有机污染物治理中的应用

丁雪军  
【摘要】: 采用具有特殊层状结构的粘土矿物中层间所存在的可交换性阳离子通过交换反应而引入外界不同的离子型化合物,从而在其原位生成分子级别的支撑柱(pillar),并将柱化剂经过一定处理转化为具有一定吸附或催化性能的大孔径和热稳定性的柱撑粘土复合材料是近年来出现在环境友好材料合成领域内一个新的研究前沿。但目前的研究方向多只局限于使用有机或无机阳/阴离子分别进行处理方面,采用无机阳离子处理后粘土材料虽然可增加合成材料的催化等性能,但对有机物的吸附能性不高而无法对低浓度污染物起到有效的处理作用;而在经过有机阳离子处理后虽然对水体中疏水性有机物吸附性能增强,却存在热稳定性差及吸附饱和后继处理问题,易造成二次污染,因此使得这两种处理技术都存在一定的制约,目前还不能大量应用在实际的污染物处理工程中。 本论文研究方向就是将有机与无机两种处理方式相结合,利用不同来源的具有良好离子交换能力的膨润土为原土,采用非离子表面活性剂聚乙烯醇(PVA)和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(HDTMAB)为预处理物质来增加所合成的柱撑复合材料的疏水性能,将陈化后的钛溶胶与表面活性剂预处理过的粘土材料进行离子交换反应,制备出了具有良好的对有机物吸附能力和光催化活性的新型疏水柱撑粘土材料;同时采用了热重(TG)分析、X粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、比表面积(BET)、能谱扫描(EDS)、水蒸汽吸附动力学等多种手段对所合成的疏水型复合材料表面微观形态、高温烧结中组分转化、比表面积变化、二氧化钛支撑柱晶型、表面疏水性等方面进行了详细的观测与表征;并以有机染料甲基橙(Methyl Orange)环境内分泌干扰素邻苯二甲酸二甲酯(DMPE)和环境雌激素污染物4-壬基酚(4-NP)等典型性有机污染物为底物考察了所制备的疏水型复合材料的吸附性能及光催化活性;使用气相/质谱(GC/MS)、液相/质谱/质谱(HPLC/MS/MS)等分析仪器对光催化降解过程中的中间转化产物进行检测,探讨了这些有机物在所合成的催化材料表面的降解途径与反应机理。实验结果表明在经过有机表面活性剂处理及二氧化钛柱撑交换反应后所合成的新型疏水型复合材料具有较原土大幅增加的比表面积与疏水性能,可有效吸附水体中微量、痕量有机污染物;而位于粘土层间的二氧化钛支撑柱则可催化降解材料表面吸附的有机污染物,实现了催化剂的吸附性能的现场光催化再生,使其能够恢复良好的吸附性能,从而大大提高了光催化降解有机污染物的效果;同时通过对羟基自由基的捕获实验证实了有机物在所制备的疏水型柱撑粘土材料表面的光催化降解反应同样是由羟基的进攻所引发,根据所检测到的中间产物的类别我们提出了三种有机物的光催化降解机理,并由各中间转化产物的浓度变化归纳了不同降解途径在催化过程中的主次地位。而对所合成的疏水性柱撑粘土材料的循环利用试验表明在经过五次重复使用后仍保持了良好的有机物的吸附与光催化活性,同时它所具有的优良沉淀性能也解决了以往均相光催化剂难以分离回收的问题,从而在实际工业污染处理中表现出了重要的应用价值。


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