嵌入TiO2的多孔电纺纤维用于吸附和光催化降解水污染物

　　光催化水处理实现氧化降解许多优点，使用光照射而不添加化学物质避免了二次污染。二氧化钛（TiO2）是最常用的半导体光催化剂，其具有耐化学性、机械强度高、成本低等优点。TiO2纳米粒子通常用作悬浮浆料，光催化剂悬浮于反应器中，能够与溶液混合均匀，可以充分发挥光催化剂的优势，实现污染物的全部降解，但是存在光催化剂回收困难的问题，而且极易造成二次污染多种材料可作为光催化剂载体，包括玻璃、氧化硅、陶瓷、聚合物、活性炭、氧化铝、沸石和不锈钢。它们具有强C-F可提供较高的化学和机械稳定性。此外，PVDF的疏水性允许非极性有机污染物集中在光催化剂负载的表面。含有TiO2电纺PVDF纳米纤维虽然已有研究，但防止光催化剂嵌入纤维内部导致损失活性催化剂表面一直具有挑战性。
　　近日，研究者使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚（偏氟乙烯）（PVDF）、P25-TiO2构建了多孔电纺纤维薄膜垫。通过溶解牺牲PVP来引入孔隙以增加表面积和增强二氧化钛的接触点。当PVDF：PVP重量比为2：1时实现了最高的光催化活性。亚甲基蓝（MB）作为污染物，吸附能力（5.93±0.23 mg/g）并证明UVA照射下超过10个循环稳定去除动力学(kMB>0.045 min-1)，该光催化垫可降解含双酚A和17α-乙炔废水（17 mg TOC/L）。研究结果表明，有效的TiO2固定在聚合物中既可以提高效率，又可以降低光催化水处理的能量需求。相关研究成果发表于Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 4285−4293
　　图1 (a)静电纺丝过程示意图，(b) 静电纺丝多孔纤维（EPF(2/1)-TiO2）的SEM图像，(c) 纤维垫片(4×5)cm2，(d) 装有试样(50mL)的石英烧杯和(e) 光反应器(18×18×18cm3)的示意图。
　　图2 具有不同共混组成的样品的SEM图像：(a) PVDF(18%)，(b) PVDF(18%)-TiO2，(c) PVDF(12%)/PVP(6%)-TiO2，(d) PVDF(9%)/PVP(9%)-TiO2，和(e) PVDF(6%)/PVP(12%)-TiO2（顶部：洗涤前，底部：洗涤后。箭头指向表面毛孔。
　　图3 (a) EPF(2/1)-TiO2垫的截面SEM图像显示纤维内部孔（黄色箭头）和(b) TEM图像含有纳米TiO2的电纺多孔纤维。
　　图4 (a) 分别使用静电纺丝纤维(EF)、含有P25 TiO2（EF-TiO2）的无孔纤维或含有TiO2的电纺多孔纤维（EPF(2/1)-TiO2）（纤维孔由聚合物与 PVDF(12%)和PVP(6%)随后洗涤PVP）混合制成的垫子在黑暗条件下吸附亚甲基蓝（[MB] 0 = 3.2 mg/L）; (b) 在UVA辐射下吸附和光催化降解亚甲基蓝（[MB] 0 = 3.2mg / L）; (c) 在类似的照射条件下重复使用EPF(2/1)-TiO2垫10次循环以除去亚甲基蓝（[MB] 0 = 3.2mg / L）。
　　图5 在黑暗条件下亚甲蓝的解偶联吸附（[MB] 0 =10μM）（240分钟）和（用光催化降解MB）使用UV-A照射（90分钟）。催化剂垫为电纺多孔纤维P25 TiO2(EPF(2/1)-TiO2）
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