TiO2/活性炭纳米纤维滤材的制备及其过滤性能的研究

摘要

活性炭纤维（ACF）作为一种新型吸附材料，具有吸附速率快、比表面积大、加工成型性好、对环境友好等优点，被广泛应于空气、水过滤等领域，但存在吸附容量有限和容易二次污染等缺点。纳米TiO2具有性能稳定、无毒害、价格优廉、光催化活性好、可降解VOC等优点，但存在VOC低浓度时催化效率低等缺点。本文将TiO2和ACF复合，实现两种材料的优势互补。
　　本文将PAN纺丝液中与酞酸丁酯凝胶按一定比例混合，通过静电纺丝制备复合纳米纤维膜，接着经过预氧化、炭化和活化制备TiO2/活性炭纤维膜，通过扫描电子显微镜、孔径测试仪、过滤效率测试仪、红外-拉曼光谱仪、热分析仪、电子强力仪、光学接触角测试仪、VOC吸附检测装置，研究各实验参数对纤维滤材结构、形貌、孔径分布、过滤性能、分子结构、机械性能、质量损失、吸湿性能、TiO2负载率、吸附性能的影响，并通过吸附动力学模型研究TiO2/ACF的协同过滤吸附机理。
　　研究结果表明，静电纺丝最佳工艺参数为PAN质量分数18％，施加电压18kv，注射速度1.5ml/h，PAN纺丝液与TiO2凝胶按10:1.5体积比混合，制备的纤维滤材形态结构和过滤性能最佳，制备的纳米纤维平均直径为445nm，平均孔径为4.5μm，过滤效率达到了99.4%。
　　研究发现最佳预氧化温度为270℃，此时纤维直径减小，发生弯曲和断裂，大分子链裂解，发生脱氢反应和环化反应，形成芳环结构和耐热性更好的梯形结构，为炭化做好了结构准备。
　　炭化过程中环化反应、氰基的分解和脱氢反应继续进行，纤维大分子逐渐形成稳定的结构。选择的最佳活化剂为H3PO4，此时活性炭纳米纤维滤材更为均匀，纤维断裂的较少。随着酞酸丁酯凝胶比例逐渐增大，纤维滤材损失率逐渐减小，而且具有更高的TiO2负载率，当PAN纺丝液与酞酸丁酯凝胶体积比达到10:2时，纳米TiO2负载率达到11.2%，但会造成纺丝困难，综合考虑后选择10:1.5的混合比例。此时纤维滤材断裂强力为18.5N，断裂伸长率为4%，炭化后纤维滤材损失率为41.24%，接触角为136.5°，具有很强的疏水性。
　　还研究了复合纳米纤维滤材的吸附性能，结果表明随着甲醛初始浓度的逐渐降低、TiO2负载率逐渐升高、经过H3PO4活化，制备的纤维滤材吸附甲醛的效果更好，说明TiO2/活性炭纳米纤维滤材更适用于甲醛浓度较低的环境。本文选用了两种力学模型研究制备的活性炭纳米纤维滤材吸附甲醛的动力学特性，结果表明Lagergren准二级动力学模型适合TiO2/活性炭纳米纤维滤材吸附甲醛的动力学描述，得到的关系曲线拟合很好，相关系数R2达到了0.98以上。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 室内空气污染物的种类与危害

1.3 静电纺丝工艺

1.4 TiO2/活性炭纳米纤维滤材

1.5 课题的研究意义和内容

第二章 静电纺纳米纤维膜的制备及其表征

2.1 前言

2.2 静电纺丝制备纳米纤维

2.3 PAN质量分数对纳米纤维膜性能的影响

2.4 施加电压对纳米纤维膜性能的影响

2.5 注射速度对纳米纤维膜的影响

2.6 不同体积比对纳米纤维膜性能的影响

2.7 本章小结

第三章 纳米纤维滤材的预氧化及其表征

3.1 前言

3.2 复合纳米纤维滤材的预氧化

3.3 预氧化纤维滤材的SEM分析

3.4 预氧化纤维滤材的热重分析

3.5 预氧化纤维滤材的红外分析

3.6 本章小结

第四章 活性炭纤维的制备及其性能表征

4.1 前言

4.2 TiO2/活性炭纳米纤维滤材的制备

4.3 TiO2/活性炭纳米纤维滤材的SEM分析

4.4 TiO2/活性炭纳米纤维滤材的红外分析

4.5 TiO2/活性炭纳米纤维滤材的力学性能分析

4.6 TiO2/活性炭纳米纤维滤材的质量损失分析

4.7 TiO2/活性炭纳米纤维滤材的吸湿性分析

4.8 TiO2负载率分析

4.9 本章小结

第五章 TiO2/活性炭纳米纤维滤材的吸附性能研究

5.1 前言

5.2 TiO2/活性炭纳米纤维滤材吸附甲醛的效果分析

5.3 TiO2/活性炭纳米纤维滤材吸附动力学分析

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文成果

致谢