聚合物氮化碳材料用于可见光下高效的工业废水处理

作     者：袁猛 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王赪胤;郭鹏

授予年度：2020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）] 07[理学] 081705[工学-工业催化] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：光催化 聚合物氮化碳 复合纤维 工业废水 水处理 

摘      要：光催化水处理技术是一种具有水体杀菌、有机物降解、砷和铬等重金属离子去除的绿色环保高新技术。与传统技术在短时间内有效不同,光催化技术在光照条件下可以持续地杀灭细菌、有机物矿化和种金属离子减毒。粉末的光催化剂在使用过程中会出现催化剂损耗、难以回收以及二次污染。因此,本论文通过结合静电纺丝技术和高压蒸汽处理,实现了光催化剂聚合物氮化碳（PCN）与纤维材料聚丙烯腈（PAN）的复合,并成功应用于水体杀菌、水体有机物降解和水体重金属离子Cr（VI）还原。解决了粉末光催化剂易损耗、难回收的缺点。同时,对所制备的PAN/PCN复合纤维膜材料进行了相应器件设计和CFD模拟。本研究为未来光催化剂的应用提供了实验基础和理论支撑。研究内容包括:（1）以尿素为原料一步热聚合得到的氮化碳纳米片（PCN）为光催化剂,利用静电纺丝技术,实现了 PCN与PAN纤维之间的复合。通过辅助高压蒸汽对其处理,充分除去复合纤维（PAN/PCN）内的有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺（DMF）,同时,复合纤维空隙发生了缩小。多种测试手段,证实了 PCN在PAN纤维上的负载和PAN/PCN复合纤维对可见光的吸收范围。分析了 PCN的导带和价带位置,以及可见光下自由基的产生,得出了 PAN/PCN复合纤维材料可能的光催化机理。PCN在PAN中负载量达到0.8 wt%时,PCN纳米片可以较为均匀地负载在PAN纤维上。（2）通过对静电纺丝所制备的PAN/PCN复合纳米纤维膜的细菌（鲍曼不动杆菌、大肠杆菌0157、金黄色葡萄球菌）杀灭、有机物（罗丹明B）降解、重金属离子（Cr（VI））还原及水体颗粒物过滤性能进行测试和评价,实现了 120 min内99.99%的细菌杀灭率、180min内99.10%的罗丹明B的降解效率、60min内99.93%的Cr（VI）还原效率和水体浊度达到NTU=1的三层复合膜油田废水过滤效率。通过PAN/PCN复合纤维膜的杀菌和降解机理讨论,明确了光催化杀菌和降解的主要活性粒子,即空穴（h+）。通过荧光显微镜表征技术探讨了可能的杀菌机制,即活性粒子通过破坏细菌细胞壁,导致细菌内外渗透失去平衡,遗传物质从细胞内流出从而造成细菌死亡。50次循环杀菌结果表明,PAN/PCN复合纤维膜具有优异的杀菌稳定性。因此该材料可以在无需其他辅助设备下实现简洁的、多次的重复循环使用。（3）对较大规模生产的PAN/PCN复合纤维进行了实际太阳光下的光催化性能的测试,针对PCN基复合纤维膜材料进行了相应的器件化设计以提高未来复合纤维膜材料的可实际应用性,进行了相应的CFD（计算流体动力学）模拟优化反应器的设计,得到了流体在光催化反应器中的流动速度、压力和分布均匀性数据,分析出固定床反应器中存在水体冲击的区域,优化了反应器的结构设计和催化剂分布。通过反应器CFD的模拟,得到相应的流体流动数据用以指导反应器设计和光催化过程。