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    羧甲基纖維素復合膜降解甲基橙的研究

    發布日期:2015-05-05 12:56:11
    復合膜
    纖維素是地球上來源豐富的天然高分子,羧甲 基纖維素鈉(CMC)是纖維素重要的衍生物之一,可 完全生物降解,具有優良的成膜復合膜性能,大量應用于石 油、日化、食品、醫藥等領域[1~2]。納米TiQz具有髙效,催化范圍廣,可以有效去除多種有機污染物的特 點,在水處理和空氣凈化等領域得到廣泛研 究[3~4]。目前,用作光催化劑的丁iQz多采用懸浮 相,存在易團聚和回收困難等問題,將Ti〇2分散在 高分子膜載體內可克服懸浮型TiQz的不足[5~6]。 據報道,將納米Ti〇2負載在纖維素及其衍生物所得 到的復合膜,可保持TiQz的光催化穩定性。在復合 膜使用過程中,避免了清除納米粒子的工序[7]。納 米TiQz的光催化降解多采用紫外光為光源,紫外光 的使用存在耗電量大,運行及維修費用高等局限性, 因此,需要并發一種在日光照射下有效降解有機污 染物的TiOz薄膜型光催化劑。本工作利用羧甲基 纖維素鈉能與自制的膠體TiQz均勻混合的特點,制 備了羧甲基纖維素/TiQz復合膜。該復合膜在太陽 光照射下,對甲基橙水溶液具有良好的光催化降解 作用。制備方法簡單,原料來源廣泛、價廉。所得的 復合膜具有可完全生物降解的特性,為利用太陽能 有效地催化降解有機污染物提供一種方法。
     
    1實驗部分1.1原料羧甲基纖維素鈉,鈦酸四丁酯和冰醋酸等試劑 均為市售化學純和分析純藥品。
     
    1.2羧甲基纖維素鈉/Ti〇2復合膜的制備通過鈦酸四丁酯水解的方法得到膠體TiQz溶 液[8]。取一定量的羧甲基纖維素鈉(CMC)溶于蒸 餾水中,加熱攪拌使CMC完全溶解,得到質量百分 比為20%的CMC水溶液,并與膠體TiQz溶液在室 溫下共混,得到羧甲基纖維素/TiOz共混溶液,共混 溶液在玻璃板上流延成膜,并用水洗至中性,干燥后 得到羧甲基纖維素/TiQz復合膜(CMC/Ti〇2),以下 簡稱復合膜。稱一定量干燥的復合膜放人坩堝中, 并在馬弗爐中煅燒,煅燒溫度為700 t:,煅燒時間為 4 h,冷卻恒重后稱量。按下式計算復合膜中TiQz 的質量分數:W(Ti〇2) = m2/wiXl〇〇%式中mi為復合膜的質量(g),m2為復合膜煅 燒后的TiQz質量(g)。
     
    1.3X-射線分析對復合膜經煅燒后的TiQj粉末分別作X-射線 衍射分析(D/MAX),采用Cu Ka射線(X = 0.15405 nm),電壓為40 kV,電流為30 mA,掃描范圍為20 =4<>~90°,掃描速率為4、111丨11_1。
     
    1.4TiOz晶體的形貌將復合膜鍛燒后的Ti〇2晶體作噴金處理,用電 子掃描電鏡(SEM,S^570)觀察其形貌。
     
    1.5光催化降解速率的測定 .在日光照射下,不同TiQz質量分數的復合膜分別放置在燒杯中,加人已知濃度的甲基橙溶液。利 用721分光光度計測量不同時間內甲基橙溶液的吸 光度(;W = 463 nm),利用甲基橙工作曲線算出其 濃度,得到復合膜的光催化降解率D。
     
    D=(A〇-A)/A〇xl〇〇% =(C〇-C)/C〇xl〇〇%式中:A〇和A分別為甲基橙溶液的起始吸光 度和光照一定時間后的吸光度;Co和C是甲基橙 溶液初始濃度與光照后濃度(mohlT1)。
     
    1.6復合膜的性能表征透光率:將復合膜裁成4 cmX2 cm的片,固定 在2401-PC紫外-可見光分析儀的測量槽上,在 200~ 800 nm波長范圍內測量復合膜的透光率。
     
    溶脹率:稱取一塊尺寸為5 cm X 5 cm的干燥復 合膜,將其浸泡在蒸餾水中,24 h后用濾紙吸去膜 表面水分后稱量,按下式計算復合膜的溶脹率:溶脹率/% = (-饑3 X式中m4為復合膜吸水后的質量(g),m3為干 燥復合膜的質量(g)。
     
    熱穩定:將MTiCb) = 5.88%的復合膜在微機 差熱天平(WCT-2C)中測定其熱穩定性。測試過程 中采用氮氣保護,升溫速率為20 *C ? miiT1,掃描范 圍為室溫至700 X:,記錄DTA、TG和DTG變化曲 線。
     
    2結果與討論2.1 TiOj的晶體結構圖1為復合膜鍛燒后的Ti〇z粉末的X-射線衍 射圖。出現 20 = 2〇。85\25.2〇°、26.64*、33.〇2°等 TiQz晶體衍射峰,表明復合膜經鍛燒后,羧甲基纖 維素鈉等有機物已被完全分解,只殘留下Ti〇2晶 體,所得的TiQj主要為銳鈦礦晶型。
     
    2.2Ti〇2晶體的形貌圖2為復合膜經馬弗爐鍛燒后的TiQz晶體的 掃描電鏡照片。TiQj為厚度300~1000 nm的柱狀 +晶體及其團聚體,柱狀晶體呈平行輻射狀生長,表明 CMC膜可誘導柱狀納米TiQz的形成。由于Ti〇2 具有大量表面羥基,TiQz與CMC的羧基和羥基能 形成較強的氫鍵等分子間相互作用力,使TiQz能均 勻分散在CMC膜內。在煅燒過程中,復合膜內的 CMC被全部分解,留下柱狀TiQz晶體之間的空隙。 這類多層的柱狀納米TiQ具有較大的光接觸面積, 使復合膜具有較好的光催化性能。
     
    圖2復合膜煅燒后的TiQz晶體的電子掃描電鏡照片 2.3復合膜的光催化性能在太陽光照射下,不同TiOi質量分數的復合膜 對甲基橙水溶液均有較好的光催化效果,如圖3所 示。復合膜在35 min內,對甲基橙水溶液的光催化 降解率(D)為50%。與已報道的紫外光為光源催Tm=240^化降解甲基橙水溶液的結果相比,復合膜的D略 低。因為太陽光中只有部分紫外光。單純的CMC 膜則無明顯的光催化降解效果,表明復合膜對甲基 橙的降解作用主要通過膜內TiQz的光催化降解來 實現。隨著TiQz質量分數從3.61%增加到 8.05%,復合膜的D逐漸增加,表明可通過提高復 合膜內TiQz的質量分數來提高復合膜的光催化降 解能力。
     
    2.4復合膜的溶脹性能表1為不同Ti〇2質量分數w(Ti〇2)的復合膜 的溶脹率測定結果。隨著復合膜中TiQz的質量分 數從3.61%增加到8.05%,復合膜的溶脹率從 125%增加到206%。原因可解釋為TiQz中的 Ti-0鍵的極性較大,其表面吸附的水因極化發 生解離而形成羥基,使納米級TiQz具有表面超親水 性。因此,隨Ti〇2質量分數的增加,復合膜的溶脹 率也持續增加。這種性能將有利于TiOz從復合膜 內釋放到甲基橙溶液內,使復合膜具有良好的催化 降解能力。
     
    表1不同TiQz質S分數的復合膜的溶脹率測定結果u.(Ti〇2)/%3.615.888.05溶脹率/%1251392062.5復合膜的透光率復合膜在可見光區域(400 ~ 800 nm)具有較高 的光透過率,其透光率(T)為40% ~60%,如圖4所 示。隨著復合膜內Ti〇2質量分數的增加,膜的透光 率逐漸降低。原因為復合膜內的TiQz粒子能反射 部分可見光,導致復合膜的透光率降低。此外,復合 膜的外觀呈透明和半透明,表明TiQz能均勾分布在 復合膜內。
     
    DTA的曲線譜圖。復合膜的熱失重主要分為3個 階段。室溫至211 X:的熱失重主要為復合膜殘余水 分的揮發和CMC的部分降解。211 X:至333 t:的 失重為Ti-O鍵的斷裂[6],證明了納米TiQz通過 其表面羥基與CMC的羧基和羥基能形成分子間相 互作用。333 t:以上的失重歸結為CMC的分解。 復合膜的DTA結果表明在246 X:和272 1C存在放 熱峰,為復合膜內CMC分解后放出大量熱所致。 與CMC膜在230 I:和256 X:存在的放熱峰相比 較,復合膜的熱分解溫度得到提高。
     
    1350 1200 p 1050 M 900 ^ 750 600 450 300 1503結論通過流延成膜的方法,羧甲基纖維素與膠體 TiQz的混合溶液能制備出羧甲基纖維素/TiOz復 合膜。復合膜內TiQz為300—1000 nm厚的柱狀晶 體及其團聚體。在日光照射下35 min,復合膜對甲 基橙水溶液的光催化降解率達到50%。隨著復合 膜中TiOz的質量分數從3.61 %增加到8.05%,復 合膜的溶脹率從125%增加到206%,復合膜在400 ~800 nm可見光范圍的透光率為40%~60%。復 合膜的熱穩定性比單純的CMC膜好。本工作的復 合膜可完全生物降解,為利用太陽光快速催化降解 甲基橙等工業污水提供一種方法。
     
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