TNTs@CF吸附-紫外光催化降解亞甲基藍(lán)

王慶榮，雷曉曼，王賜眸，尚禹佶，吳媛媛，夏東升，潘 飛,2*

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TNTs@CF吸附-紫外光催化降解亞甲基藍(lán)

王慶榮1，雷曉曼1，王賜眸1，尚禹佶1，吳媛媛1，夏東升1，潘 飛1,2*

（1. 武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；2. 武漢紡織大學(xué) 紡織印染清潔生產(chǎn)教育部工程中心，湖北 武漢 430200）

針對(duì)印染廢水處理過(guò)程中，吸附完成后吸附劑難以和污染物分離的問(wèn)題，本研究采用水熱法合成負(fù)載鈦酸納米管的碳纖維（TNTs@CF），研究亞甲基藍(lán)（MB）在TNTs@CF上的吸附-紫外光催化性能?？疾觳煌跏紳舛取⒉煌琓NTs@CF用量、不同pH等對(duì)MB的吸附-紫外光催化性能的影響；探討TNTs@CF的循環(huán)利用能力；結(jié)果表明，MB在TNTs@CF上的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程迅速，30?min即可達(dá)到吸附平衡，Langmuir等溫模型擬合所得最大吸附量達(dá)395.26 mg.g-1；當(dāng)MB初始濃度為20 mg/L，附著在TNTs@CF的MB在30 min內(nèi)脫色率可達(dá)90%，紫外光照射后可繼續(xù)部分降解。5次循環(huán)后材料對(duì)MB的吸附-紫外光降解性能良好。本研究制備一種具備染料吸附-紫外光催化降解性能的碳纖維，對(duì)于印染廢水處理和納米材料的環(huán)境污染治理應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

鈦酸納米管；碳纖維；吸附；紫外光催化；亞甲基藍(lán)

目前，有機(jī)染料被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，所產(chǎn)生的染料廢水含有大量“三致”毒性的難降解有機(jī)污染物[1-3]，對(duì)水環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[4,5]，染料能在環(huán)境中持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，其潛在毒性亟待解決[6]。目前國(guó)內(nèi)外去除污水中染料的方法主要有吸附、離子交換、膜過(guò)濾、生物法、高級(jí)氧化法等[7-9],吸附法處理染料廢水投資少、周期短，但是用過(guò)的吸附劑容易引起二次污染，因此尋找高效無(wú)污染的吸附劑受到廣泛關(guān)注。

吸附劑在吸附染料飽和后會(huì)失去繼續(xù)吸附的能力，染料等污染物也只是轉(zhuǎn)移至吸附劑上，并未徹底降解，吸附劑在吸附染料后會(huì)成為一種有毒有害的廢物，如果沒(méi)有正確的處理，就會(huì)產(chǎn)生次生的環(huán)境污染。近年來(lái)，由Kasuga等采用水熱法合成的鈦酸納米管（TNTs）比表面積大、等電點(diǎn)低并有大量的離子交換位點(diǎn)，使TNTs有優(yōu)異吸附性能[10]，但是，TNTs的光催化性能很差，吸附污染物以后很難分離再生；如果直接將其排入水體，不僅浪費(fèi)了資源，而且TNTs作為一種人工納米材料，其對(duì)環(huán)境和人體健康安全性評(píng)價(jià)研究已經(jīng)引起了關(guān)注。

本研究采用水熱法[11]將鈦酸納米管負(fù)載于碳纖維，合成了一種具有吸附-紫外光催化[12-14]降解性能的纖維，該材料屬于纖維的一種，采用常規(guī)紡織方法可織造各種規(guī)格的碳纖維布，這些碳纖維布作為吸附材料通過(guò)簡(jiǎn)單固定即可進(jìn)行印染廢水的脫色處理。

1 材料與方法

1.1 試劑與設(shè)備

試劑：亞甲基藍(lán)（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度≥82.5%）、乙醇（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度≥99.7%）、商用TiO2粉體P25（Degussa），氫氧化鈉（江蘇永華化工科技有限公司，優(yōu)級(jí)純，純度≥98%）、碳纖維、實(shí)驗(yàn)室自制去離子水。

設(shè)備：紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（Cary 50，Varian，USA）、恒溫水浴振蕩器（HZS-H）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（GZX-9030MBE）、電子分析天平（SarTorius BP221s）等。

1.2 TNTs@CF的制備

在Xiong和Chen等人的基礎(chǔ)上[15,16]，采用水熱法制備了TNTs@CF。將0.6?gP25TiO2粉末，0.6?g活性碳纖維，14.5?gNaOH，33.35?mL的去離子水加入100?mL的燒杯中混合，常溫?cái)嚢?2小時(shí)后轉(zhuǎn)移到高溫反應(yīng)釜中130℃靜態(tài)加熱72小時(shí)。在5000?rmp經(jīng)離心分離，用去離子水充分洗滌直到上清液的pH值降至7左右，用乙醇分散，在105℃進(jìn)一步干燥約4h后即得到TNTs@CF。

1.3 TNTs@CF對(duì)MB的吸附與降解

（1）吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。配制20?mg/LMB溶液100mL。投加20?mg的TNTs@CF于溶液中，調(diào)節(jié)溶液pH為6.6，溫條件下攪拌(200r·min-1)180min，于不同的時(shí)間間隔內(nèi)取樣，前30?min暗吸附，30?min～180?min紫外光照射，取樣后立即離心去除TNTs@CF，上清液過(guò)膜后測(cè)量。

為了具體描述TNTs@CF對(duì)MB的吸附動(dòng)力學(xué)行為，采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬[17]，公式如下:

（2）吸附等溫線(xiàn)實(shí)驗(yàn)。分別配制10?mg/L，20?mg/L，40?mg/L的MB溶液100?mL，投加20mg的TNTs@CF于溶液中(吸附劑濃度0.2g·L-1)，調(diào)節(jié)溶液初始pH值為6.6，在室溫條件下200?r·min-1攪拌180?min后取樣離心，過(guò)膜待測(cè)。

引入Langmuir方程和Freundlich方程對(duì)吸附結(jié)果進(jìn)行擬合。其中Langmuir吸附等溫模型假定吸附過(guò)程是在吸附劑表面進(jìn)行的單層吸附，并且吸附質(zhì)之間沒(méi)有相互作用；Freundlich吸附等溫模型是一個(gè)描述多層吸附的經(jīng)驗(yàn)吸附等溫式，并且假定吸附表面是多相的。兩個(gè)模型公式表述分別如下:

（3）不同濃度的TNTs@CF對(duì)MB的影響。將5份100 mL初始濃度為20?mg/L的MB溶液，分別調(diào)節(jié)pH為6.6，然后分別加入0.05、0.1、0.2、0.4、1?g/L的TNTs@CF，在暗處吸附30?min達(dá)到催化劑表面吸附-脫附平衡，然后置于紫外光下，取樣離心分離，取上層清液讀取吸光度，在暗處取樣時(shí)間梯度：0、10、20、30?min，在紫外照射下的取樣時(shí)間梯度：10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180?min；

（4）染料不同初始濃度對(duì)MB的影響。將3份100?mL初始濃度分別為10、20、40?mg/L?MB溶液，分別調(diào)節(jié)pH為6.6，再加入0.2?g/L的TNTs@CF，然后同（3）中所述取樣讀數(shù)。

（5）pH值對(duì)MB降解的影響。將7份100?mL初始濃度為20?mg/L的MB溶液，分別調(diào)節(jié)pH梯度為：2.5、3.5、4.5、5.5、6.6、8.8、10.9，再分別加入0.2?g/L的TNTs@CF，然后同（3）中所述取樣讀數(shù)。

（6）溫度對(duì)MB降解的影響。將3份100?mL初始濃度為20?mg/L的MB溶液用NaOH溶液或HCl溶調(diào)節(jié)pH為6.6，再分別加入0.2?g/L的TNTs@CF，將整個(gè)反應(yīng)用水浴鍋中分別控制反應(yīng)溫度為15，25，35℃，然后同（3）中所述取樣讀數(shù)。

（7）TNTs@CF的重復(fù)利用率。配制20?mg/L的MB100?mL，調(diào)節(jié)pH為6.6，加入0.2?g/L的TNTs@CF，反應(yīng)30?min達(dá)到吸附-脫附平衡，再紫外光催化反應(yīng)150?min，取反應(yīng)過(guò)的鈦酸納米管烘干，重復(fù)上述過(guò)程5次，測(cè)定脫色效果。

1.4 分析方法

利用SEM、TEM、XRD等測(cè)試方法對(duì)所得TNTs@CF進(jìn)行表征；用分光光度計(jì)在其可見(jiàn)光區(qū)最大吸收波長(zhǎng)664nm處，測(cè)定吸光度值以確定廢水中MB的降解效果；測(cè)定不同pH條件下Zeta電位的變化情況，確定pH對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 TNTs@CF的微觀(guān)形態(tài)

劉文[18]等采用水熱法將TNTs負(fù)載于活性炭上，大大提高了材料表面的活性，TNTs在經(jīng)過(guò)碳修飾以后整個(gè)表面張力也得到提升，我們通過(guò)水熱法將TNTs負(fù)載與CF上，將所得的TNTs@CF樣品送至天合科研協(xié)作中心進(jìn)行XRD、TEM、SEM表征。圖1中，TNTs@CF明顯保留了原有TNTs的特征峰，而原有CF的特征峰減弱，TNTs@CF明顯保留了TNTs的良好的吸附性能。圖2中，A、B可以明顯看出碳纖維的纖維狀微觀(guān)結(jié)構(gòu)，C和D反應(yīng)了TNTs@CF的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，可以明顯看到TNTs被附著于CF的表面。

圖1 碳纖維負(fù)載鈦酸納米管的X射線(xiàn)衍射圖譜

圖2 TNTs@CF的透射電鏡和掃描電鏡圖片

(A和B與為MB反應(yīng)前的透射電鏡圖片；C為與MB反應(yīng)前的掃描電鏡圖片；D為與MB反應(yīng)后的掃描電鏡圖片)

2.2 TNTs@CF的比表面積和孔徑分布

圖3是TNTs@CF的氮吸附曲線(xiàn)及孔徑分布曲線(xiàn)。通過(guò)Brunauer-Emmet- Teller (BET)表面積測(cè)定TNTs@CF的BET表面積為239.8067?m2／g，明顯高于已有的TNTs的比表面積(94.4442?m2/g)。由孔徑分布曲線(xiàn)看出水熱合成法制得的復(fù)合光催化劑的孔徑主要集中在2-30?nm。所以，該材料是一種比表面積較大的多孔材料。這種多孔結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)污染物的吸附及反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散非常有利。

圖3 (B)TNTs@CF的N2吸附/脫附等溫線(xiàn)與(A)孔徑分布

圖4 TNTs@CF對(duì)MB的吸附動(dòng)力學(xué)

2.3 吸附動(dòng)力學(xué)

2.3.1 吸附動(dòng)力學(xué)

反應(yīng)前10?min，TNTs@CF表面與水溶液之間的濃度差促使溶液中的MB迅速被吸附，TNTs@CF表面大量的吸附位點(diǎn)也促進(jìn)了快速吸附。在30?min后吸附量緩慢增加直到達(dá)到平衡。影響吸附過(guò)程的機(jī)制有很多，如外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散、邊界層擴(kuò)散等[19]。本實(shí)驗(yàn)中，用準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬吸附過(guò)程。

TNTs@CF對(duì)不同濃度的MB的吸附動(dòng)力學(xué)如圖4所示。從圖中可知，TNTs@CF前10?min對(duì)MB的吸附速率極快，30?min即達(dá)到平衡。對(duì)于初始濃度為分別為10、20、40?mg·L-1MB，其平衡吸附量分別為為47.57、96.09、188.25?mg·g-1。

擬合結(jié)果如表1所示，TNTs@CF對(duì)MB的吸附可由準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)較好的模擬(R2＞0.99)，所得的平衡吸附量與實(shí)測(cè)相當(dāng)。因此，TNTs@CF對(duì)MB的吸附主要是化學(xué)吸附過(guò)程。

表1 TNTs@CF對(duì)不同初始濃度亞甲基藍(lán)的吸附動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)

2.3.2 吸附等溫線(xiàn)

Langmuir和Freundlich模型對(duì)TNTs@CF對(duì)MB的吸附等溫線(xiàn)模擬結(jié)果如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，Langmuir模型能夠更好的模擬TNTs@CF對(duì)MB的吸附行為(R2＞0.96)，表明MB在TNTs@CF上的吸附為單層吸附。通過(guò)Langmuir模型擬合的MB的理論最大吸附量為395.26?mg.g-1。

表2 TNTs@CF對(duì)MB的吸附等溫線(xiàn)擬合參數(shù)

2.4 Zeta電位隨pH的變化趨勢(shì)

根據(jù)Zeta電位等電點(diǎn)方法測(cè)得TNTs@CF的Zeta電位隨pH的變化趨勢(shì)如圖5所示。TNTs@CF的Zeta電位均為負(fù)值，表面主要帶負(fù)電荷，電負(fù)性隨著pH的升高先增大再減小，pH為6.6時(shí)達(dá)到最高，此時(shí)TNTs@CF表面最易結(jié)合陽(yáng)離子，與陽(yáng)離子染料MB最容易發(fā)生反應(yīng)。

圖5 TNTs@CF的Zeta電位

2.5 TNTs@CF對(duì)MB溶液降解效果的研究

2.5.1 不同濃度TNTs@CF對(duì)MB溶液降解的影響

結(jié)果如圖6(A)，在無(wú)光條件下，TNTs@CF在前30?min吸附趨于平衡，添加紫外后MB繼續(xù)被降解。在MB溶液中加入不同的濃度的TNTs@CF，其吸附-降解效果也產(chǎn)生了明顯的不同，由圖中可以看出，TNTs@CF濃度越大，其對(duì)MB溶液的吸附-降解效果越好，但是在TNTs@CF的濃度達(dá)到0.2?g/L時(shí)，其吸附-降解的效果增加不明顯。隨著TNTs@CF濃度的增大，明顯觀(guān)察到TNTs@CF在溶液中有聚集現(xiàn)象，這是由于納米粒子容易聚集，因此投加TNTs@CF不能過(guò)量，以免造成吸附劑的浪費(fèi)。

2.5.2 染料不同初始濃度對(duì)MB降解的影響

結(jié)果如圖6(B)，在無(wú)光條件下，TNTs@CF在前30?min吸附效果就已經(jīng)趨于平衡，添加紫外MB繼續(xù)被降解。MB溶液的濃度增大，吸附-降解效果逐漸降低，當(dāng)濃度達(dá)到20?mg/L，基本無(wú)明顯變化。

圖6 不同因素對(duì)MB溶液降解效果的影響

（A為不同濃度TNTs@CF對(duì)MB降解的影響；B為不同MB初始濃度對(duì)降解的影響）

2.5.3 不同pH值對(duì)MB降解的影響

結(jié)果如圖7(A)，在無(wú)光條件下，TNTs@CF在前30?min的吸附效果就已經(jīng)趨于平衡，添加紫外MB繼續(xù)降解，pH對(duì)MB降解效果的影響也很明顯，當(dāng)pH處于中性和堿性條件下，整個(gè)吸附-降解效果明顯高于酸性條件下。

2.5.4 不同溫度對(duì)MB降解的影響

結(jié)果如圖7(B)，在無(wú)光條件下，TNTs@CF在前30?min的時(shí)候吸附效果就已經(jīng)趨于平衡，添加紫外MB繼續(xù)降解，這個(gè)過(guò)程中溫度的升高使整個(gè)反應(yīng)效果有輕微的提升，但整個(gè)過(guò)程不是非常明顯，因此在整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置在常溫下進(jìn)行更節(jié)能環(huán)保。

圖7 不同因素對(duì)MB溶液降解效果的影響

（A為不同pH對(duì)MB降解的影響；B為不同溫度對(duì)降解的影響）

2.6 TNTs@CF的吸附-降解

通過(guò)比較TNTs@CF，TNTs，CF的吸附-降解過(guò)程如圖8(A)，這三種材料均有良好的吸附性能，紫外照射后， TNTs@CF還會(huì)繼續(xù)降解一部分的MB，而TNTs、CF并沒(méi)有較大變化。圖8B中，r0為光催化條件下TNTs@CF的降解速率，根據(jù)以下公式[20]計(jì)算：

式中r0為反應(yīng)速率；C為紫外光照射時(shí)間為t時(shí)的MB質(zhì)量濃度，mg·L-1；Kapp為表觀(guān)速度常數(shù)。

兩邊積分之后通過(guò)線(xiàn)性擬合得到Kapp，再帶入上式求得r0。

根據(jù)上式計(jì)算出的結(jié)果可知0.2?g/L的TNTs@CF的降解速率明顯比TNTs和CF都要高。

圖8 不同材料的吸附-降解曲線(xiàn)與降解速率

（A為吸附-降解曲線(xiàn)，B為降解速率條形圖）

2.7 TNTs@CF的重復(fù)利用率

將TNTs@CF按上述過(guò)程重復(fù)使用5次，其降解率如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)TNTs@CF再紫外光照射以后可以重復(fù)利用，使用到第5次的時(shí)候其降解效果為67.52%，可以緩解納米材料在使用之后的排放壓力。

圖9 TNTs@CF的重復(fù)利用率

3 結(jié)論

（1）TNTs@CF在偏中性的條件下對(duì)MB溶液的吸附-降解效果比較好，吸附-降解效果隨著其濃度的增大而增大，但是TNTs@CF的濃度達(dá)到0.2?g/L時(shí)，吸附-降解效果的變化不顯著，因此將其控制在適當(dāng)?shù)臐舛缺容^經(jīng)濟(jì)適用。

（2）TNTs@CF在吸附MB符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)，是化學(xué)吸附過(guò)程。同時(shí)，Langmuir模型能夠更好的模擬TNTs@CF對(duì)MB的吸附行為(R2＞0.96)，表明MB在TNTs@CF上的吸附為單層吸附。通過(guò)Langmuir模型擬合的亞甲基藍(lán)的理論最大吸附量為395.26?mg·g-1。

（3）TNTs@CF在前30?min吸附飽和以后，繼續(xù)在紫外光下照射，能夠繼續(xù)降解亞甲基藍(lán)，與TNTs和CF對(duì)比可以明顯看出TNTs@CF降解速率較高，整個(gè)吸附-降解過(guò)程最終使MB的去除率達(dá)到96%，在整個(gè)過(guò)程中也可以明顯發(fā)現(xiàn)吸附效果要高于降解效果。

（4）經(jīng)過(guò)五次重復(fù)試驗(yàn)之后，TNTs@CF依然對(duì)亞甲基藍(lán)具有67.52%的去除效果，可見(jiàn)TNTs@CF在紫外照射后具有可再生的性質(zhì)，表明其在環(huán)境領(lǐng)域有的研究?jī)r(jià)值。

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Study of Active Carbon Fibre/Titanate Nanotubes for Photocatalytic Degradation of Methylene Blue

WANG Qing-rong1, LEI Xiao-man1, WANG Ci-mou1, SHANG Yu-ji1，WU Yuan-yuan1, XIA Dong-sheng1, PAN Fei1, 2

(1.School of Environmental Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. Engineering Research Centre for Clean Production of Textile Dyeing and Printing, Ministry of Education, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

In this study, the problem of the separation of pollutants to the completed agent adsorption in the the printing and dyeing waste water treatment process was treated, carbon fiber supported titanate nanotubes (TNTs@CF) were synthesized by hydrothermal method, the research is about methylene blue (MB) adsorption and UV catalytic performance on TNTs@CF. The effect of different initial concentration, different dosage of TNTs@CF and different pH on the adsorption and UV catalytic performance of MB ; the recycling capacity of TNTs@CF was discussed ; the results show that the adsorption kinetics of TNTs@CF on the MB process was so fast and it could reach equilibrium in 30 minutes, the maximum adsorption capacity of the Langmuir isotherm model was 395.26?mg.g-1; when the initial concentration of MB is 20?mg/L, the decolorization rate of the MB attached to the TNTs@CF is up to 90%，30?min later the degradation of MB could increase under the UV irradiation. After five cycles, the adsorption and ultraviolet degradation of MB are good. In this study, a kind of carbon fiber with dye adsorption and ultraviolet photocatalytic degradation property was prepared. It has certain reference significance for the treatment of printing and dyeing waste water and the treatment of environmental pollution of nanomaterials.

titanate nanotubes; carbon fibre; UV light catalytic; methylene blue

潘飛（1980-），男，副教授，博士，研究方向：低維納米雜化材料在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用.

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題（2014BAC13B02）.

O643.1

A

2095－414X(2018)05－0026－07