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具有纳微结构的绿色纤维素基复合材料的制备及在重金属去除中的应用
结题报告
批准号:
51302267
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
李艳香
学科分类:
E02.无机非金属材料
结题年份:
2016
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
李晓禹、李蕾、曹丽霞、胡丹
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中文摘要
本项目拟研究制备一种新型的纤维素基纳米工程材料,用于除去废水中的重金属离子。将采用原位合成的方法,实现纳米颗粒在纤维素纤维上的固定。通过调控纳米颗粒在纤维表面的形成(晶型、大小和分布),得到不同组成配比且可工程应用的纳微结构。研究这种复合材料对水中重金属离子的吸附和解附性能及机理,找出纳微结构和化学组成对吸附分离的规律,进而对材料的合成进行优化,为规模生产和实际应用奠定基础。本项目将功能纳米颗粒原位固定于可再生的天然材料上,不仅可以解决纳米吸附材料在水处理应用中的团聚、流失和二次污染等问题,而且通过利用两种材料协同吸附重金属的能力,克服它们各自单独使用的缺点,可实现技术的绿色化和效率化的统一而更容易在工程应用上被接受,体现技术本身的可持续性意义。
英文摘要
This work plans to fabricate a new type of cellulose-based material with nanoengineered structures to remove heavy metals from wastewater. In-situ synthesis method will be used to generate and immobilize nano-particles (NPs) immediately on cellulose fibers. Various nano-/micro-structures with different amount of chemical composition will be obtained by controlling formation (crystalline, size and distribution) of the NPs on the surface of cellulose fibers. The performance and mechanism of adsorption and desorption of heavy metals onto and from the materials in wastewater will then be studied, and the correlation between structure, composition and separation efficiency will be identified. This will allow us to optimize the synthesis conditions and provide the foundation for large-scale production and application of the material. The uniqueness of this work is to grow in-situ functional NPs tightly on renewable natural materials, which will largely resolve some practical issues of nanosorbent application in water treatment, such as particle agglomeration, particle loss in environment and its induced secondary pollution. In addition, the work will take advantage of both materials' property for synergistic adsorption of heavy metals to overcome the shortcomings of the use of each individual material as a sorbent. As a result, the greening and the efficiency of the technology will be realized at the same time for it to be more acceptable in engineering applications, demonstrating the sustainable nature of the technology itself.
重金属可在生物体内积累而不能分解,严重危害人类健康和生态环境,因此,研究水中超标铅离子高效处理的新方法和新材料具有重要的意义。纳米颗粒是非常高效的吸附剂,然而纳米材料本身的小尺寸特性导致其容易团聚而损失许多有效表面积,并且在使用过程中容易流失而造成二次污染。. 本项目通过原位水解的方法将二氧化钛(TiO2)纳米颗粒固定到天然高分子—纤维素纤维(CF)上,制备了具有纳微结构的TiO2/CF复合材料。SEM表明TiO2呈纺锤体形状并均匀分散无团聚,HRTEM和XRD表明TiO2为金红石矿晶型。纤维素不但作为固定TiO2纳米颗粒的载体,同时也是使TiO2定向生长的化学模板,并调控TiO2颗粒均匀分散。研究了对铅离子的静态吸附,吸附容量大,并显示出良好的选择性和可再生利用性。进一步地,通过湿化学方法将该TiO2/CF复合纤维制备成滤床,进行了动态吸附的研究并预测了吸附模型。动态吸附过程中无TiO2纳米颗粒脱落,流体阻力小。为了对比,同时研究了纯CF滤床和以自组装物理方法制备的[rutile/CF]滤床的动态吸附,穿透曲线表明,原位生长方法制备的复合材料[insituTiO2/CF]的有效吸附容量分别是对照组CF的13倍和[rutile/CF]的9倍。这归因于[insituTiO2/CF]的高比表面积,这是由于TiO2在纤维素纤维表面的均匀分散且无团聚所致。. 为了进一步优化合成方法,我们采用微波辅助水解法制备了TiO2/CF复合纤维(wTiO2/CF),TiO2呈100nm的菜花状复杂阶层结构,由10nm的锐钛矿纳米颗粒聚集而成,均匀覆盖于纤维表面。这样的特殊结构进一步提高了比表面积,实现了对铅离子的快速而更高效的吸附。该方法缩短了合成时间(由7小时缩短为15min),而吸附量却提高了1.5倍。将wTiO2/CF复合纤维以同样方法制备成滤床,穿透曲线表明,吸附量比普通加热法制备的[insituTiO2/CF]提高了2.4倍。. 本项目将纳米颗粒固定化,解决了纳米材料在应用中的团聚、流失和二次污染问题。同时,纳微结构的设计与构效分析,静态和动态吸附实验参数的优化,以及机理和模型的探讨,为开发低成本、高效率的重金属吸附纳米工程材料提供了理论指导和依据。
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Microwave-assisted synthesis of hierarchical mesoporous nano-TiO2/cellulose composites for rapid adsorption of Pb2+
微波辅助合成多级介孔纳米TiO2/纤维素复合材料快速吸附Pb2
DOI:10.1016/j.cej.2016.11.007
发表时间:2017-04
期刊:Chemical Engineering Journal
影响因子:15.1
作者:Jinju Zhang;Lei Li;Yanxiang Li;Chuanfang Yang
通讯作者:Chuanfang Yang
DOI:10.1002/aic.14884
发表时间:2015-11
期刊:AIChE Journal
影响因子:3.7
作者:许振良
通讯作者:许振良
Enhanced chromium (VI) adsorption using nanosized chitosan fibers tailored by electrospinning
使用通过静电纺丝定制的纳米级壳聚糖纤维增强铬 (VI) 吸附
DOI:10.1016/j.carbpol.2015.02.037
发表时间:2015-07-10
期刊:CARBOHYDRATE POLYMERS
影响因子:11.2
作者:Li, Lei;Li, Yanxiang;Yang, Chuanfang
通讯作者:Yang, Chuanfang
In situ growing directional spindle TiO2 nanocrystals on cellulose fibers for enhanced Pb2+ adsorption from water
在纤维素纤维上原位生长定向纺锤体 TiO2 纳米晶体以增强水中 Pb2 的吸附
DOI:10.1016/j.jhazmat.2015.02.051
发表时间:2015-05-30
期刊:JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS
影响因子:13.6
作者:Li, Yanxiang;Cao, Lixia;Yang, Chuanfang
通讯作者:Yang, Chuanfang
Promoting dynamic adsorption of Pb2+ in a single pass flow using fibrous nano-TiO2/cellulose membranes
使用纤维状纳米 TiO2/纤维素膜促进单程流中 Pb2 的动态吸附
DOI:10.1016/j.cej.2015.08.068
发表时间:2016
期刊:Chemical Engineering Journal
影响因子:15.1
作者:Yanxiang Li;Lei Li;Lixia Cao;Chuanfang Yang
通讯作者:Chuanfang Yang
纳米纤维素诱导构筑气凝胶基TiO2光催化剂及降解痕量内分泌干扰物的强化机制
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