面向水中有机污染物去除的细菌纤维素基功能材料的结构及性能调控研究
水体有机污染物对人类健康及生态系统造成了巨大的危害。目前广泛用于去除水中有机污染物的吸附、催化降解技术的核心是功能材料的设计及结构调控。本文以细菌纤维素(BC)为基础，水中有机污染物的去除为导向，吸附、降解技术为工艺技术，系统研究了功能材料的结构调控与活性位点的构建。本文设计制备了一系列的BC基吸附、催化降解功能材料，并通过实验研究阐明了其中的构效关系，为环境功能材料的设计提供了策略与理论支撑，有效推动吸附、降解技术的发展与进步。具体内容如下： （1）细菌纤维素/环糊精功能材料的聚合度调控及其吸附去除持久性有机污染物研究 制备结构可控，形状简便的吸附材料对于水中污染物的去除有着重要的实际意义。在本章节中，我们简要介绍了一种薄膜状净水吸附材料的制备策略，其主要过程为将环糊精寡聚物负载于细菌纤维素表面。实验结果表明我们可以通过调控环糊精寡聚物的聚合度来调控其吸附性能。我们制备的材料对于苯酚、双酚A、草甘膦以及2,4-二氯苯酚四种污染物均表现出了优异的吸附去除性能，其最大吸附量高于现有报道的绝大多数吸附材料，甚至包括一些碳基材料。此外，本章节制备的吸附剂能够在宽泛的pH范围内以及较复杂的水体环境中有效的去除水中的污染物，同时兼顾良好的回用性能。半定量的成本分析证明了产品在成本方面的优势。我们的设计同时兼顾了高性能与低成本的优势，有效的为吸附材料的设计提供新的见解。 （2）细菌纤维素/二氧化钛功能材料光催化降解有机污染物的尺寸效应研究 选取了不同尺寸的巯基-功能化均匀TiO2纳米颗粒(TiO2-SH)和乙烯基功能化细菌纤维素(BC-Vinyl)为前驱体，通过巯基-烯点击反应制备的细菌纤维素/二氧化钛(BC/TiO2)功能材料。电子自旋共振实验结果表明，使用更小的二氧化钛纳米粒子和进一步的氮掺杂可以增加BC/TiO2功能材料的主要氧化物质，即?OH的数量，表现出更高的光催化活性。结合材料构效关系分析，我们制备的光催化剂BC/TiO2具有良好的结构控制与性能优势，其降解各种有机污染物的性能显著高于以前报道的诸多TiO2的光催化剂。同时材料具备良好的回用性及稳定性，在去除实际污染水中的有机污染物方面显示出了巨大的潜力。 （3）碳化细菌纤维素/铁-锰双组分金属价态的调控及其类芬顿催化性能研究 双金属类芬顿催化剂由于其较高的催化活性受到了广泛的关注。本课题通过在碳化细菌纤维素表面负载Fe/MnOx功能材料，并通过氢气还原的方式制备了CBC@FeMn功能材料。结果表明经过H2还原的功能材料能够有效的活化H2O2降解水中的ATZ，且性能优于未还原的氧化物材料。淬灭实验以及电子自旋共振表征表明体系是以?OH为主导的类芬顿过程。XPS的结果表明其较高的催化活性来源于更多的Fe(Ⅱ)，且H2还原后产生的Mn(Ⅲ)能够有效的促进Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)的循环。同时功能材料能够在较宽泛的pH范围内有效应用，同时拥有良好的回用性能。本章节的设计策略为双活性组分类芬顿催化剂的设计与制备方面提出了新的见解。 （4）修饰细菌纤维素暴露表面羰基用于活化过氧单硫酸盐降解磺胺甲噁唑的性能及机理研究 基于过氧单硫酸盐的高级氧化工艺(PMS-AOPs)在降解水中有机污染物方面已经得到了大量的研究与关注。目前，已被广泛研究并使用的金属基和金属氧化物基催化剂存在活性金属浸出的问题，而包括碳纳米管和石墨烯在内的大多数无金属催化剂存在成本高、改性和再生困难的缺陷。在本研究中，我们设计了具有丰富羰基的细菌纤维素衍生材料(DCBC)作为PMS活化的高效无金属催化剂。DCBC/PMS体系通过非自由基(1O2)和自由基(SO4?-/?OH)途径降解目标污染物磺胺甲恶唑(SMX)，其表现出优异的降解性能，其中非自由基途径起主要作用。DCBC材料具有方便、易再生、稳定性好、成本低等优点，在实际水处理中作为PMS-AOPs的理想无金属催化剂具有很大的潜力。
水环境;有机污染物;细菌纤维素;结构调控;催化氧化
南京理工大学
博士
环境科学与工程
钱杰书
2021
中文
X52
2023-08-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）