聚合物催化膜反应器构建及其对酚类有机物和染料的催化还原研究

作     者：吴紫阳 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：刘富

授予年度：2017年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：PVDF微孔膜 金纳米粒子 瞬时催化 乳液分离 W18O49纳米线 

摘      要：废水中高效去除具有高毒性且难以生化降解的芳香族有机物具有挑战性。传统的吸附及催化技术可降解废水中的芳香族有机物,但吸附及催化剂的分离、回收不但增加了水处理过程的成本,而且易产生二次污染。膜分离技术是一种新兴的高效分离技术,本论文结合高催化活性的贵金属纳米粒子和聚偏氟乙烯(PVDF)微孔膜,构建新型聚合物催化膜反应器,用于芳香族有机物和染料的催化去除。首先采用柠檬酸钠还原氯金酸制备粒径为400 nm的纳米金(Au)胶体,然后用非溶剂诱导相分离法和无纺布模板剥离法制备具有多尺度微纳结构表面微孔膜,并通过界面交联亲水改性得到超亲水PVDF微孔膜,最后,以多巴胺为功能性反应层,将具有催化性能的金纳米粒子固定在超亲水微纳膜的表面,得到具有高催化活性的聚合物微孔膜,用于对硝基苯酚的催化还原。另外,通过相转化工艺制备了具有指状孔结构的亲水PVDF微孔膜,通过动态过滤方式在其指状孔内部负载多巴胺/Au纳米粒子,得到指状孔催化反应器,实现了对亚甲基蓝和对硝基苯酚的瞬时连续催化还原。初步研究了一维氧化物WO纳米线在膜表面的负载及亚甲基蓝吸附性能。具体结论如下:(1)PVDF微孔膜表面负载纳米Au及其催化还原性能研究采用柠檬酸钠水溶液体系还原法制备粒径为400 nm金纳米粒子;在非溶剂诱导相分离法的基础上,通过PET无纺布模板剥离法制备具有表面微纳结构的PVDF微孔膜,进一步通过界面交联反应对疏水膜表面进行亲水化改性得到超亲水性PVDF微孔膜,促进对多巴胺和金纳米粒子的吸附,形成表面固定金纳米粒子的微孔膜,用于对硝基苯酚的催化还原。试验中发现亲水性和表面微纳结构会影响最终Au纳米粒子的负载量:相对于亲水膜(表面无微纳结构)和超疏水膜(表面具有微纳结构),表面具有微纳结构的超亲水微孔膜(PDA处理2 h,Au溶液处理24 h)能够实现最大程度的Au纳米粒子负载。静态催化试验中该膜在5分钟内可还原90%的对硝基苯酚,动力学反应常数为47.84×1022 min。此外,该催化膜反应器也展现出极好的催化稳定性和重复利用性。(2)基于PVDF膜的指状孔微反应器构筑及其瞬时连续催化性能研究为了进一步提高纳米金粒子在PVDF膜的负载量及催化性能,我们构筑了具有指状孔结构的微反应器,通过动态过滤的方式在PVDF微孔膜指状孔内负载多巴胺和纳米金粒子,纳米金的负载量可达到1.19×1066 mol/cm。该指状孔微反应器用于对硝基苯酚和亚甲基蓝的瞬时连续催化,表现出优良的瞬时催化性能,当流体停留时间为1.12 s,线速度为0.021 cm/s时,对硝基苯酚和亚甲基蓝的催化速率分别为471.96 s和947.71 s,该催化反应器在30 min内对硝基苯酚和亚甲基蓝的催化转化率稳定在75%以上。同时,催化微反应器膜在对含有对硝基苯酚的水包氯仿乳液分离催化实验中,实现了水包油的分离和对硝基苯酚的催化还原。