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水净化用卤胺改性二氧化硅纳米纤维膜的制备及硫醇降解性能研究

戴建武  
【摘要】:近年来,经济的快速发展和进步使得工业的发展速度快速提升,各类化工厂的创建规模也在相应地不断扩大,从而导致我国各城市对于污水处理的压力增大,水污染问题日益严重,携带大量硫醇污染物的污水不仅严重威胁到人类的生命健康安全,同时污水中散发出的臭味也对周围的环境造成了严重的危害。因此,急需采取一定的措施来处理污水中的硫醇污染物以保证人类的健康。目前对于污水处理的常用的水净化技术有物理吸附法、生物降解法、化学降解法等。其中,化学降解法是一种投资费用低、效率高、适用范围广的治理手段,但绝大多数的降解材料存在降解效率低、降解活性低等缺点,而卤胺类降解材料具有降解效率高且稳定、安全无毒,可再生等优点,使其在水净化领域具有更高的研究和使用价值。其中,卤胺纳米纤维材料更是国内外学者的研究热点,纳米纤维材料具有更大的比表面积和孔隙率可有效增大材料与硫醇分子的接触面积,从而提高硫醇降解效率。因此,开发应用于水净化领域的硫醇降解效率高且稳定的卤胺纳米纤维材料是一项十分有意义的工作。本课题首先以1,4-二氯甲氧基丁烷来对原料聚醚砜(PES)进行氯甲基化改性,从而制备出氯甲基化改性聚醚砜,然后通过静电纺丝技术和化学接枝,将卤胺小分子5,5-二甲基乙内酰脲(DMH)经亲核取代接枝在氯甲基化改性聚醚砜上,制备出卤胺接枝的氯甲基化改性聚醚砜纳米纤维膜,但由于所制备的纤维膜活性氯含量低(3200ppm),对硫醇的降解量低,降解时间长,不能满足快速降解硫醇的需求,因此,我们合成了一种新的卤胺材料接枝在纳米纤维膜上。首先以静电纺丝技术制备出杂化的二氧化硅纳米纤维膜,该膜以聚乙烯醇为模板,然后以5,5-二甲基乙内酰脲和3-氯丙基三乙氧基硅烷为原料,通过化学合成制备出基于有机硅烷的卤胺化合物5,5-二甲基-3-(3'-三乙氧基硅丙基)-乙内酰脲聚合物(PSPH),接着通过化学接枝将PSPH分子与二氧化硅纳米纤维膜进行共价结合,最后通过氯漂处理工艺成功制备出具有硫醇降解性能优异的卤胺接枝改性的二氧化硅纳米纤维膜。所得到的纳米纤维膜中各纤维相互交错、高度交织形成三维的非织造状多孔通道结构,这将极大地利于水的流通;此外,其活性氯含量高(7363 ppm),且分布均匀,具有优异的降解稳定性和氯漂可再生性能。使用十二硫醇作为硫醇模板,对所制备的卤胺改性二氧化硅纳米纤维膜进行硫醇降解研究以及水净化应用实验,结果表明,所得到的氯化后的纳米纤维膜可通过释放具有强氧化性的Cl~+使水中的十二硫醇分解,仅15 mg的纤维膜能在30 min内降解完50 ppm的十二硫醇。在动态水净化应用中,直径为20 mm的纤维膜,对十二硫醇含量为100 ppm的污染水的降解率将近达到100%,其降解效率高,处理通量大(水通量为25000 L·m~(-2)·h~(-1))。该类卤胺改性二氧化硅纳米纤维膜的成功制备,将为开发新型多功能硫醇降解纳米纤维材料提供新思路。


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