静电纺丝法制备氧化铝纤维及其在环境领域中的应用研究

摘要

近年来，水体污染、大气污染等环境问题越来越严峻，给人们的健康带来了越来越多的危害。因此，研究简单实用的方法制备用于环境治理的新材料具有重要意义。静电纺丝法具有设备简单、操作方便、环保、成本低、用途广泛等特点，可以用于制备多种材料的纳米纤维及纤维膜。氧化铝具有耐高温、耐腐蚀、导热率低以及稳定性好等一系列优点，是一种重要的功能性材料，在污水处理、高温烟尘过滤等环境领域具有重要的应用价值。本论文在静电纺丝法制备氧化铝纳米纤维及其在环境领域中的应用研究方面取得系列进展:制备了介孔纳米氧化铝纤维、氧化硅-氧化铝核壳结构纤维膜以及柔性氧化铝纤维膜，研究了所制备的纤维材料在污水处理、工业烟尘细粒子过滤领域的相关性能。
　　1.介孔氧化铝纤维的制备及其吸附性能研究
　　以Al(NO3)3·9H2O与AlCl3·6H2O为酸性铝源，异丙醇铝(Al(O-i-Pr)3)与铝粉为碱性铝源，HNO3为催化剂，去离子水为溶剂，80℃下回流搅拌形成透明溶胶。以三嵌段共聚物P123为造孔剂，聚环氧乙烷PEO为助纺剂，加入上述溶胶中，搅拌均匀，得到纺丝溶液。将纺丝溶液进行静电纺丝，得到干凝胶纤维。将干凝胶纤维经450-600℃煅烧后得到无定形态介孔Al2O3纤维，纤维的比表面积为264.1m2 g-1;经700-900℃煅烧后得到γ-Al2O3介孔纤维，纤维的比表面积为2426 m2 g-1;经1100℃煅烧后，纤维的物相由γ-Al2O3转变为α-Al2O3，此时氧化铝晶粒长大，介孔结构消失。煅烧后的介孔氧化铝纤维直径均在130-200nm之间。γ-Al2O3介孔纤维对刚果红染料具有优异的吸附性能。经700℃煅烧后的γ-Al2O3介孔纤维对刚果红的最大吸附量为781.25mg g-1。此外，所制备的介孔氧化铝纤维具有优异的耐酸性及良好的循环使用性能，这有利于纤维在吸附剂等相关领域的实际应用。
　　2.柔性自支撑氧化硅/介孔氧化铝核壳结构纤维膜的制备及其对刚果红的吸附性能研究
　　将氧化硅溶胶前驱体作为核材料，将氧化铝溶胶前驱体作为壳层材料，进行同轴静电纺丝，高温煅烧之后得到了柔性自支撑氧化硅/介孔氧化铝核壳结构纤维膜。其中，核壳结构纤维膜中的氧化硅核起到提高膜的机械强度和柔韧性的作用，介孔氧化铝壳层起到增强纤维膜的吸附性能的作用。所制备的核壳结构纤维膜对刚果红染料具有较好的吸附能力，并且在使用过程中能够保持完好的膜形态，这使其在实际应用中易于操作和分离回收。经700℃煅烧后的核壳结构纤维膜对刚果红的48h吸附量为115mg g-1。氧化硅/介孔氧化铝核壳结构纤维膜良好的吸附性能、较高的机械强度、易于回收再生循环使用的特性以及简单方便的制备方法使其在环境治理领域具有广阔的应用前景。
　　3.柔性自支撑γ-Al2O3纤维膜的制备及其对亚微米级颗粒物的过滤性能研究
　　以铝粉与羧酸反应制得氧化铝前驱体，利用助纺剂PEO调节纺丝液的粘度，通过静电纺丝法制备了氧化铝干凝胶纤维膜，高温煅烧之后形成γ-Al2O3纤维膜。纤维膜由随机排布的氧化铝纳米纤维组成。纤维直径约为230nm，且具有较高的长径比。所制备的γ-Al2O3纤维膜具有自支撑性能、良好的柔韧性、较高的机械强度(2.98MPa)和良好的热稳定性(900℃下结构形态稳定)，这有利于纤维膜在高温环境下的应用。并且，所制备的γ-Al2O3纤维膜对300nm DOP(邻苯二甲酸二辛酯)具有优异的过滤性能。经700℃煅烧后的γ-Al2O3纤维膜，当克重为9.28g m-2时，过滤效率为99.848％，压阻为239.12Pa;当纤维膜的克重大于11.36gm-2时，过滤效率高于99.97％。这表明γ-Al2O3纤维膜在高温烟尘过滤领域具有广阔的应用前景。同时，本部分工作丰富了静电纺丝法制备自支撑柔性无机纤维膜的种类以及其在分离过滤领域中的应用研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 氧化铝的研究进展

1．2．1 氧化铝的结构和性质

1．2．2 氧化铝的应用

1．3 静电纺丝技术研究进展

1．3．1 静电纺丝技术的起源与发展

1．3．2 静电纺丝法基本原理

1．3．3 静电纺丝设备的分类

1．3．4 静电纺丝法制备无机氧化物纳米纤维的研究现状

1．3．5 静电纺丝纤维在过滤领域中的应用

1．3．6 静电纺丝纤维在其它领域中的应用

1．4 本论文的选题目的及意义

参考文献

第二章 介孔氧化铝纤维的制备及其吸附性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 原料与试剂

2．2．2 制备过程

2．2．3 表征

2．2．4 吸附测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 介孔氧化铝的制备过程及微观结构

2．3．2 纤维对刚果红的吸附性能

2．4 本章小结

参考文献

第三章 柔性自支撑氧化硅／介孔氧化铝核壳结构纤维膜的制备及其对刚果红的吸附性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料与试剂

3．2．2 氧化铝溶胶的制备

3．2．3 氧化硅溶胶的制备

3．2．4 SiO2／Al2O3核壳结构纤维 膜的制备

3．2．5 表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 产品的形貌与结构

3．3．2 纤维膜对刚果红的吸附性能研究

3．4．本章小结

参考文献

第四章 柔性自支撑氧化铝纤维膜的制备及其对亚微米级颗粒物的过滤性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 原料与试剂

4．2．2 制备过程

4．2．3 表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 γ-化铝纤维膜的制备及结构

4．3．2 纤维膜的过滤性能

4．4 本章小结

参考文献

Chapter 1：Electrospinning Preparation and Adsorption Property of Mesoporous Alumina Fibers

1．1 Introduction

1．2 Experimental section

1．3 Results and discussion

1．4 Conclusions

references

Chapter 2：Electrospun Flexible Self-Standing γ-Alumina Fibrous Membranes and Their Potential as High Efficiency Fine Particulate Filtration Media

2．1 Introduction

2．2 Experimental section

2．3 Results and discussion

2．4 Conclusions

References

结束语

致谢

攻读博士期间发表和待发表的论文