新型無機氣凝膠的制備及其吸附-光催化性能研究.pdf

1、隨著環(huán)境污染問題的日益突出，水污染的治理尤其是含有機物廢水的治理成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點問題。作為新興的環(huán)境修復(fù)技術(shù)—吸附/光催化在治理污水方面的應(yīng)用日益受到人們的重視。氣凝膠材料是一類具有高比表面積和優(yōu)異吸附性能的納米多孔輕質(zhì)材料，在環(huán)境保護和能源利用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，但傳統(tǒng)的方法制備周期長、耗能大、不易回收，影響了其推廣應(yīng)用。因此，開發(fā)新型無機氣凝膠材料的制備工藝，構(gòu)建高效吸附降解體系，實現(xiàn)無機氣凝膠的高層次利用，具有重要的理

2、論意義和實際應(yīng)用價值。
　　本論文旨在系統(tǒng)研究新型無機氣凝膠材料在吸附/光催化方面的應(yīng)用:將低能耗干燥技術(shù)分別與表面修飾技術(shù)、催化載體重構(gòu)技術(shù)、吸附/光催化技術(shù)耦合，制備出了具有不同表面基團修飾的硅基氣凝膠、銅基氣凝膠微球、金紅石型鈦基氣凝膠、新穎結(jié)構(gòu)硅鈦復(fù)合氣凝膠和基于硅基氣凝膠為前驅(qū)體的新型光催化材料;通過多種表征手段來分析新型無機氣凝膠材料的晶相、微觀形貌、表觀基團、比表面積及孔結(jié)構(gòu)特征;同時，研究了無機氣凝膠材料的形成機理

3、、對有機污染物的吸附/光催化機理和無機氣凝膠材料可能存在的特殊性能及新的應(yīng)用前景。
　　本論文主要內(nèi)容分為以下三個部分:
　　1.不同表面基團硅基氣凝膠的常壓制備及其對染料的吸附研究
　　(1)通過典型溶膠-凝膠和常壓干燥過程，調(diào)控合成條件成功制備了親水型和疏水型硅基氣凝膠，用于吸附陽離子染料（羅丹明B和亞甲基藍(lán)）;以相對廉價的三甲基氯硅烷作為改性劑，采用溶膠-凝膠法、常壓干燥和高溫煅燒等步驟制備了親水型硅基氣凝膠，并

4、用于吸附多種染料（羅丹明B、亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫和橙黃Ⅱ）;結(jié)果表明此類硅基氣凝膠對陽離子染料羅丹明B有較好的吸附效果，吸附容量高于100 mg/g。
　　(2)利用吸附實驗研究酸堿值、吸附時間和初始濃度等因素對氣凝膠吸附行為的影響，探討了不同表面基團硅基氣凝膠的吸附性能;利用不同的等溫模型考察了具有不同表面基團硅基氣凝膠的吸附平衡性能;通過分析不同表面基團的硅基氣凝膠對不同染料的吸附，證明硅基氣凝膠具有吸附染料的特點及其吸附過程受多

5、種因素（氫鍵、親/疏水性、靜電作用等）共同影響。
　　2.新型非硅基氣凝膠的環(huán)氧丙烷法制備及其在染料廢水處理中的應(yīng)用
　　(1)通過溶膠-凝膠和冷凍干燥成功合成羥基氯化銅自組裝氣凝膠微球。微球的尺寸和比表面積分別約為1～2μm和76.71 m2g-1。通過研究對亞甲基藍(lán)吸附效果以考查羥基氯化銅氣凝膠微球的吸附能力。研究了多種影響因素（酸堿值、染料的初始濃度、反應(yīng)時間等）對微球吸附亞甲基藍(lán)的影響。吸附實驗數(shù)據(jù)符合Freundl

6、ich吸附等溫模型。熱力學(xué)分析結(jié)果表明該反應(yīng)是放熱的、自發(fā)的、有序的反應(yīng)過程。
　　(2)通過溶膠—凝膠法、表面改性和常壓干燥等過程制備了疏水型金紅石相二氧化鈦氣凝膠，多種表征手段對該氧化鈦氣凝膠的晶相、微觀形貌、比表面積和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析;考察了疏水型金紅石相二氧化鈦氣凝膠在模擬可見光下催化降解羅丹明B染料的性能，探討了該二氧化鈦氣凝膠可能的形成機理和光催化機理。實驗表明，在光照180分鐘后，疏水型金紅石相二氧化鈦氣凝膠還能繼續(xù)

7、保持與水良好的接觸角，體現(xiàn)一定的抗紫外線性能。
　　3.以硅基氣凝膠為基體制備新型光催化劑及其催化性能研究
　　(1)以鈦酸鉀為前驅(qū)體，通過離子交換協(xié)同醇鹽水解縮聚過程，表面改性和常壓干燥制得新型含鈦硅基氣凝膠;為了更好地構(gòu)建含鈦硅基氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過改變新穎前驅(qū)體的含量可調(diào)節(jié)氣凝膠的微觀構(gòu)成粒子大小在10nm到30 nm內(nèi)變化，有效地限制了氣凝膠因顆粒較小產(chǎn)生團聚現(xiàn)象?？棺贤馐杷院伖杌鶜饽z材料在可見光照射下表現(xiàn)了

8、對染料降解良好的光催化的性能。主要是將適量的鈦摻雜到氧化硅氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。
　　(2)首次以硅基氣凝膠為前驅(qū)體，通過在反應(yīng)體系添加聚乙烯吡咯烷酮水熱法合成了硅酸鉍納米花和硅酸鉍納米片光催化劑。研究發(fā)現(xiàn)聚乙烯吡咯烷酮在形成自組裝型納米花結(jié)構(gòu)起到了關(guān)鍵性作用。通過實驗數(shù)據(jù)初步探討了納米花光催化劑的結(jié)構(gòu)形成機理。同時，對比了兩種硅酸鉍微觀結(jié)構(gòu)對染料的光催化降解效果，硅酸鉍納米花因具備適宜的微觀結(jié)構(gòu)和更高的比表面積比硅酸鉍納米片顯示更