CN102021676B - 二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二氧化钛/活性炭复合纳米纤维吸附膜的制备方法,其特征在于,具体步骤为:将聚丙烯腈粉末溶解在N,N-二甲基甲酰胺中;将氢氧化钛凝胶与聚丙烯腈溶液混合,得到静电纺丝原液,进行静电纺丝得到复合纳米纤维膜;将复合纳米纤维膜置于电热干燥箱中进行预氧化;将复合纳米纤维膜在磷酸或氢氧化钾溶液中浸泡,用蒸馏水洗涤至中性,在烘箱中烘干;然后在氮气保护下,升温至450~550℃,冷却到室温,得到二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜。本发明提高了光催化剂活性成分与纤维结合牢固度及其负载量;二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜光催化活性高、吸附效果好、可再生,且再生方法简单,可利用太阳光,易于操作,运行费用低。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜的制备方法,属于纳米纤维膜材料技术领域。
背景技术
环境污染控制是人类社会面临和解决的重大课题,光催化氧化是消除环境中难降解污染物的有效手段。TiO2光催化剂具有光照后不发生光腐蚀、耐酸碱性好、化学性质稳定等优点,在近紫外光的激发下,电子从价带上跃迁到传导带上,形成空穴和电子对,激活水分子,产生氧化能力很强的羟基自由基[Carp O., Huisman C.L., Reller A., 2004. Photoinduced reactivity of titanium dioxide. Progress in Solid State Chemistry 32:33~177.],使有机物污染物得以矿化。由于二氧化钛颗粒小,在污水处理过程中,分离和回收困难,不便实际应用,并存在二次污染问题[Soto K.,Garza K. M.,Murr L. E.,2007.Cytotoxic effects of aggregated nanomaterials. Acta Biomaterial 3:351~358]。为了避免纳米TiO2在反应过程中的流失,常用硅胶、氧化铝、金属(丝、网)、陶瓷、玻璃(球、纤维、片、管)、石墨、活性炭(颗粒、纤维)等作纳米TiO2光催化剂载体,多用溶胶-凝胶—挂膜—干燥—烧结的方法,由于附着力不强,经多次涂覆、烧结,才能达到光催化反应所需的负载量。内层区域经过多次高温煅烧,TiO2晶粒聚集长大,粒度难以控制,导致光催化活性损失。也有直接将纳米TiO2粒子分散于聚合物中制成纳米复合材料,但分散效果不佳,导致光催化活性下降。所以,TiO2负载材料及高效负载技术仍是有待解决的技术问题。
活性炭纤维表面含有大量的含氧官能团,如-OH,>C—O,-COOH,C-N键,N—N键等,与颗粒活性炭相比,有较大的比表面积和孔容积,孔径小(主要为0.4~1 nm),并且孔径均匀,更易与极性吸附质分子键合,同时它还能对苯环中的π电子产生诱导力,对含氧、氯、芳香环等的水溶性有机物也有更好的吸附能力,吸附速度快10~100倍,吸附容量约大2~10倍,滤阻小2/3。不过,活性炭纤维吸附饱和后,必须进行脱附再生后才能继续使用,使活性炭纤维的应用在某些程度上受到一定的限制。
纳米活性炭纤维由于具有丰富的微孔、高的比表面积、物理性能优越等特点,其吸附容量远远高于其他多孔吸附材料,比微米活性炭纤维、颗粒和粉状活性炭效果也要好很多。纳米活性炭纤维与有机质具有很强的相互作用力,可以吸附去除ppm、ppb级甚至更低浓度的有机污染物。因此,在微电子、过滤材料、能源等领域具有广阔的应用前景。
活性炭纤维、颗粒和粉状活性炭是常用的TiO2负载材料,但采用传统的溶胶-凝胶—挂膜—干燥—烧结的方法制备的TiO2/活性炭复合材料,光催化活性和吸附容量均有损失。静电纺丝是纳米纤维的主要制备方法之一,聚合物熔体或聚合物溶液在电场力作用下,克服表面张力形成一束带电的流体,溶剂挥发后可在接收装置上形成类似非织造布形式的纤维膜。有文献报道,将纳米TiO2分散到聚丙烯腈(PAN)溶液,采用静电纺丝制备二氧化钛/ PAN纤维(活性炭纤维),但存在TiO2分散不均,聚集堵塞喷嘴的现象。也有将钛酸四正丁酯与聚丙烯腈(PAN)溶液混合直接静电纺丝制备纤维的报道,其最大的缺点是光催化活性和吸附容量很低。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼具吸附和光催化性能、在太阳光照射下能再生的二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜的制备新方法。二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜TiO2粒度可控,光催化活性高,光催化剂纳米TiO2与载体纳米活性炭纤维膜结合牢固,可避免纳米TiO2在使用过程中流失。
为了达到上述目的,本发明提供了一种二氧化钛/活性炭复合纳米纤维吸附膜的制备方法,其特征在于,具体步骤为:
第一步:将聚丙烯腈(PAN)粉末溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中得到浓度为10~20wt%的聚丙烯腈溶液,搅拌至完全溶胀,水浴加热至40℃,搅拌溶解,冷却待用;
第二步:将氢氧化钛凝胶与聚丙烯腈溶液以体积比1:4~10混合,磁力搅拌得到透明的静电纺丝原液,进行静电纺丝得到复合纳米纤维膜;
第三步:将第二步得到的复合纳米纤维膜置于电热干燥箱中进行预氧化,复合纳米纤维膜上端固定,下端施加20g张力,温度升至280℃,升温速度为1℃/min;
第四步:将第三步得到的复合纳米纤维膜在5~15wt%磷酸或5~20wt%的氢氧化钾溶液中浸泡1.5-2.5小时,用蒸馏水洗涤至中性,在烘箱中烘干;然后在氮气保护下,以10~20℃/min速率升温至450~550℃,恒温1~2h,冷却到室温,得到直径为10~800nm的二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜。
上述第二步所用的氢氧化钛溶胶可采用如下方法制备:
将8.5体积份的钛酸四正丁酯和2.4体积份的冰醋酸在磁力搅拌条件下溶解于17体积份的无水乙醇中,继续搅拌使之混合均匀,以1滴/3秒的速度滴入5体积份的无水乙醇和0.5体积份的蒸馏水的混合溶液中,密封搅拌1h,得到淡黄色的氢氧化钛透明溶胶,静置陈化。
上述第二步中静电纺丝的条件为:
喷丝头为孔径为0.6mm~1.2mm的不锈钢针头,流速为1.0~3.0ml/h,接收装置与喷丝头之间的距离为15~30cm,电压为14~30kV,纺丝溶液的环境温度为25±2℃。
上述方法所得的二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜可通过如下方法进行再生:将吸附饱和的二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜在30W的紫外灯或太阳光下照射8小时,每隔30分钟翻转一次。
本发明通过控制Ti(OH)4溶胶的加入量,调整活性炭纤维表面孔结构、孔尺寸,改善其吸附能力,强化半导体复合效应,减少电子空穴对的复合几率,增大光量子产率,增强光催化活性,并借助活性炭纤维酸催化活性的协同效应,吸附饱和后通过光催化氧化去除吸附的污染物实现再生。
本发明的优点如下:
1、复合纳米纤维膜的制备采用静电纺丝法,原料中的PAN溶液与Ti(OH)4溶胶是以化学健合的作用结合得到有机/无机杂化纳米纤维膜。提高了光催化剂活性成分与纤维结合牢固度及其负载量,该方法可以实现纳米纤维的批量生产,具有很高的应用价值。
2、本发明是将静电纺丝得到的复合纳米纤维经预氧化、活化、碳化过程,与活性炭纤维制备相近,该方法简单,易操作。
3、TiO2/活性炭复合纳米纤维膜中的光催化活性成分是以钛酸丁酯为钛源,通过溶胶-溶胶法制得,再与PAN杂化。由于活性炭纤维的强吸附作用为TiO2的光催化提供了高浓度的反应环境,加快了反应速度,因而,TiO2/活性炭复合纳米纤维膜比悬浮TiO2体系更具有光催化活性。
4、不存在纳米TiO2堵塞活性碳纤维微孔的问题,因而不削弱活性碳纤维吸附能力,反而会因TiO2的存在,活性碳纤维表面孔结构、孔尺寸得以调整,以及TiO2成为极性或阴离子有机物吸附的活性点,改善吸附性能。
5、TiO2/活性炭复合纳米纤维膜能够重复使用,主要是借助TiO2光催化氧化(还原)和活性炭纤维酸催化氧化(还原)的协同效应,保持了活性炭纤维的多孔性,又具有二氧化钛的光催化氧化活性,有很好的再生性能。
TiO2/活性炭复合纳米纤维膜可用于废水、废气的处理,也可用于饮用水处理,改善饮用水质量,具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述静电纺丝设备示意图;
图2为本发明实施例1得到的TiO2/活性炭复合纳米纤维图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来具体说明本发明。如图1所示,为本发明所述静电纺丝设备示意图,纺丝原液1置于注射器2中,注射器2的喷丝头连接高压电源3,接收装置4连接调速器5。所用的聚丙烯腈的分子量为50000-90000Da。
实施例1
(1)磁力搅拌条件下将8.5mL钛酸四正丁酯和2.4mL冰醋酸溶于17mL无水乙醇中,搅拌30分钟使之混合均匀,缓慢滴入5mL乙醇和0.5mL蒸馏水的混合溶液中,控制滴定管滴速为1滴/3秒,密封搅拌1h,得到淡黄色氢氧化钛透明溶胶,静置陈化。
(2)将称量好的2g聚丙烯腈粉末慢慢加到15mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中得到浓度为11.7wt%的聚丙烯腈溶液,搅拌至完全溶胀,而后置于水浴慢慢加热至40℃,搅拌30min使其完全溶解。将制备好的溶液和上述制备好的氢氧化钛溶胶按体积比1:4混合,磁力搅拌至混合均匀,获得供电纺的透明溶液。
(3)用注射器取上述聚合物溶液约15mL,将喷丝头接BGG高压电源的正极。在喷丝头正前方安装20×20cm的铝箔收集装置,电压为16kV,喷头孔径为1.0mm,流速为2.0ml/h,接收装置与喷丝头距离20cm。溶液的环境温度为25±2℃。聚合物溶液在高压直流电源的作用下,克服表面张力形成喷射细流,在喷射过程中溶剂不断挥发,最终在收集器(铝箔)上形成纤维。纺丝结束后,取下纳米纤维膜,50℃真空烘干,干燥器内保存。
(4)将纤维放在DHG-9123A型电热干燥箱中预氧化,从室温开始将纳米纤维上端固定,下端施加20g张力直到280℃,升温速度为1℃/min。
(5)纳米纤维膜的活化和碳化:将预氧化纤维在5wt%的KOH溶液中浸泡2小时,用蒸馏水洗涤至中性。在烘箱中烘干,然后在N2气体保护下,以10℃/min速率升温至550℃,恒温1h。纤维发生梯形结构之间的交联,聚合物的结构逐步向多晶碳结构转变,同时,除去了大量氢、氮及其他杂原子,碳原子得以富集,碳的网状结构面积变大,最后在N2中缓慢冷却到室温得到直径均匀为300~700nm的TiO2/活性炭复合纳米纤维膜。如图2所示,为本发明实施例1得到的TiO2/活性炭复合纳米纤维图。
取2g经450℃煅烧后的TiO2/活性炭复合纳米纤维吸附材料,以亚甲基蓝为模拟染料废水污染物,分别做动态吸附和静态吸附实验。动态吸附在吸附柱中完成,柱体积为186cm3,降解效果为91%。静态吸附实验中,溶液体积为100ml,将纤维均匀分布于250ml烧瓶中振荡,持续通入空气维持溶解氧的浓度。在初始浓度为60mg/L的溶液中吸附30min后,溶液完全脱色。取出后在光源为30W的紫外灯下光照8小时进行再生,每隔30min翻一次保持光照均匀。然后再放入浓度为60mg/L的溶液中吸附30min后,降解率为98.5%。降解效率依次为96.43%、94.71%、93.28%,再生八次后,溶液浓度去除率依然高达88.3%。
实施例2
(1)磁力搅拌条件下将8.5mL钛酸四正丁酯和2.4mL冰醋酸溶于17mL无水乙醇中,搅拌30分钟使之混合均匀,缓慢滴入5mL乙醇和0.5mL蒸馏水的混合溶液中,控制滴定管滴速为1滴/3秒,密封搅拌1h,得到淡黄色氢氧化钛透明溶胶,静置陈化。
(2)将称量好的2.5g聚丙烯腈粉末慢慢加到17.5mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中得到浓度为12.5wt%的聚丙烯腈溶液,搅拌至完全溶胀,而后置于水浴慢慢加热至40℃,搅拌30min使其完全溶解。将制备好的溶液和上述制备好的氢氧化钛溶胶按体积比2.5:17.5:2磁力搅拌至混合均匀,获得供电纺的透明溶液。
(3)用注射器取上述聚合物溶液约15mL,将喷丝头接BGG高压电源的正极。在喷丝头正前方安装20×20cm的铝箔收集装置,电压为18kV,喷头孔径为0.9mm,流速为2.0ml/h,接收装置与喷丝头距离30cm。聚合物溶液在高压直流电源的作用下,克服表面张力形成喷射细流,在喷射过程中溶剂不断挥发,最终在收集器(铝箔)上形成纤维。纺丝结束后,纳米纤维膜小心取下,50℃真空烘干,干燥器内保存。
(4)将纤维放在DHG-9123A型电热干燥箱中预氧化,从室温开始将纳米纤维上端固定,下端施加20g张力直到280℃,升温速度为1℃/min。
(5)纳米纤维膜的活化和碳化:将预氧化纤维在10wt%磷酸溶液中浸泡2小时,用蒸馏水洗涤至中性。在烘箱中烘干,然后在N2气体保护下,以15℃/min速率升温至500℃,恒温1.5h。纤维发生梯形结构之间的交联,聚合物的结构逐步向多晶碳结构转变,同时,除去了大量氢、氮及其他杂原子,碳原子得以富集,碳的网状结构面积变大,最后在N2中缓慢冷却到室温得到直径均匀为200~500nm的TiO2/活性炭复合纳米纤维膜。
取2.5g经500℃煅烧后的TiO2/活性炭复合纳米纤维吸附材料,以腐殖酸为模拟饮用水污染物,分别做动态吸附和静态吸附实验。动态吸附在吸附柱中完成,柱体积为186cm3,去除率为92.3%。静态吸附实验中溶液体积为100ml,将纤维均匀分布于250ml烧瓶中振荡,持续通入空气维持溶解氧的浓度。在初始浓度为15mg/L的溶液中吸附30min后,测其TOC。取出后在太阳光光源下光照8小时进行再生,每隔30min翻一次保持光照均匀。然后再放入浓度为15mg/L的溶液中吸附30min后,TOC降解效率为99.1%。降解效率依次为97%、95.38%、94.01%,再生八次后,溶液浓度去除率依然高达91.3%。
实施例3
(1)磁力搅拌条件下将8.5mL钛酸四正丁酯和2.4mL冰醋酸溶于17mL无水乙醇中,搅拌30分钟使之混合均匀,缓慢滴入5mL乙醇和0.5mL蒸馏水的混合溶液中,控制滴定管滴速为1滴/3秒,密封搅拌1h,得到淡黄色氢氧化钛透明溶胶,静置陈化。
(2)将称量好的3g聚丙烯腈粉末慢慢加到17mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中得到浓度为15wt%的聚丙烯腈溶液,搅拌至完全溶胀,而后置于水浴慢慢加热至40℃,搅拌30min使其完全溶解。将制备好的溶液和上述制备好的氢氧化钛溶胶按体积比3:17:3磁力搅拌至混合均匀,获得供电纺的透明溶液。
(3)用注射器取上述聚合物溶液约15mL,将喷丝头接BGG高压电源的正极。在喷丝头正前方安装20×20cm的铝箔收集装置,电压为20kV,喷头孔径为0.8mm,流速为2.5ml/h,接收装置与喷丝头距离25cm。聚合物溶液在高压直流电源的作用下,克服表面张力形成喷射细流,在喷射过程中溶剂不断挥发,最终在收集器(铝箔)上形成纤维。纺丝结束后,纳米纤维膜小心取下,50℃真空烘干,干燥器内保存。
(4)将纤维放在DHG-9123A型电热干燥箱中预氧化,从室温开始将纳米纤维上端固定,下端施加20g张力直到280℃,升温速度为1℃/min。
(5)纳米纤维膜的活化和碳化:将预氧化纤维在10wt%磷酸溶液中浸泡2小时,用蒸馏水洗涤至中性。在烘箱中烘干,然后在N2气体保护下,以20℃/min速率升温至450℃,恒温1h。纤维发生梯形结构之间的交联,聚合物的结构逐步向多晶碳的结构转变,同时,除去了大量氢、氮及其他杂原子,碳原子得以富集,碳的网状结构面积变大,最后在N2中缓慢冷却到室温得到直径均匀为100~700 nm的TiO2/活性炭复合纳米纤维膜。
取1.5 g经500℃煅烧后的TiO2/活性炭复合纳米纤维吸附材料,以苯扎贝特为模拟PPCPs污染物,分别做动态吸附和静态吸附实验。动态吸附在吸附柱中完成,柱体积为186cm3,去除率为90.1%。静态吸附实验中溶液体积为100ml,将纤维均匀分布于250ml烧瓶中振荡,持续通入空气维持溶解氧的浓度。在初始浓度为20??g/L的溶液中吸附30min后,用液相色谱测其吸收后的浓度。取出后在太阳光下光照8小时进行再生,每隔30min翻一次保持光照均匀。然后再放入浓度为20??g/L的溶液中吸附30min后,降解效率为97.1%。降解效率依次为94.78%、95.21%、94.3%、93.14%,经过再生八次后,溶液浓度去除率依然高达89.3%。
Claims (2)
1.一种二氧化钛/活性炭复合纳米纤维吸附膜的制备方法,其特征在于,具体步骤为:
第一步:将聚丙烯腈粉末溶解在N,N-二甲基甲酰胺中得到浓度为10~20wt%的聚丙烯腈溶液,搅拌至完全溶胀,水浴加热至40℃,搅拌溶解,冷却待用;
第二步:将氢氧化钛溶胶与聚丙烯腈溶液以体积比1:4~10混合,磁力搅拌得到透明的静电纺丝原液,进行静电纺丝得到复合纳米纤维膜;静电纺丝的条件为:喷丝头为孔径为0.6mm~1.2mm的不锈钢针头,流速为1.0~3.0mL/h,接收装置与喷丝头之间的距离为15~30cm,电压为14~30kV,纺丝溶液的环境温度为25±2℃;
第三步:将第二步得到的复合纳米纤维膜置于电热干燥箱中进行预氧化,复合纳米纤维膜上端固定,下端施加20g张力,温度升至280℃,升温速度为1℃/min;
第四步:将第三步得到的复合纳米纤维膜在5~15wt%磷酸或5~20wt%的氢氧化钾溶液中浸泡2小时,用蒸馏水洗涤至中性,在烘箱中烘干;然后在氮气保护下,以10~20℃/min速率升温至450~550℃,恒温1~2h,冷却到室温,得到直径为100~800nm的二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜。
2.如权利要求1所述的二氧化钛/活性炭复合纳米纤维吸附膜的制备方法,其特征在于,第二步所用的氢氧化钛溶胶可采用如下方法制备:将8.5体积份的钛酸四正丁酯和2.4体积份的冰醋酸在磁力搅拌条件下溶解于17体积份的无水乙醇中,继续搅拌使之混合均匀,以1滴/3秒的速度滴入5体积份的无水乙醇和0.5体积份的蒸馏水的混合溶液中,密封搅拌1h,得到淡黄色的氢氧化钛透明溶胶,静置陈化。
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