阳离子淀粉/纳米多孔TiO2复合材料设计制备及协同降解染料废水的机理研究

In this project, process intensification will be realized through synergy from coupling of the processes with complementary advantages, based on the in situ regeneration of the flocculant, the recycling of the photocatalyst. The project is designed to use natural, non-toxic cationic starch as flocculant, nano-porous TiO2 as photocatalyst, to synthesize novel cationic starch / nanoporous TiO2 composite through uniform dispersion,chemical bonding and moderate crosslinking. Solutions of C.I. Reactive Red 24 and other widely used anionic dyes will be used as simulated wastewater to carry out the study of flocculation -photocatalytic oxidative degradation of dye wastewater. The process parameters (ratio of TiO2 to cationic starch, light intensity, etc.) and characteristic parameters of the material (degree of substitution of cationic starch, morphology of nanoporous TiO2, etc.), on the effect of the treatment of the simulated wastewater, will be investigated to reveal the synergic mechanism of flocculation of the cationic starch and photocatalytic oxidation mechanism of nanoporous TiO2. The dynamic model for describing the synergy of the flocculation and photocatalytic oxidation will be established to obtain the mechanism and general rule of flocculation / photocatalytic oxidation process, and to achieve control preparation of the composite materials and operation optimization of the flocculation / reaction strengthening system. The stability of the composite materials can be improved through optimization fo structure design and preparation technology, in order to realize reuse of the composite more times and recovery of the photocatalyst, and to provide the foundation for industrial applications.

基于实现絮凝剂的原位再生、光催化剂的回收利用考虑，通过优势互补的过程耦合产生协同作用实现过程的强化。本项目拟采用天然、无毒的阳离子淀粉作为絮凝剂，纳米多孔TiO2作为光催化剂，通过均匀分散、化学键合、适度交联制备新型阳离子淀粉/纳米多孔TiO2复合材料。以活性红24等广泛使用的阴离子型染料溶液模拟染料废水为处理对象，开展絮凝-光催化氧化降解染料废水的研究，考察TiO2与阳离子淀粉配比、光照强度等工艺参数和纳米多孔TiO2形貌结构、交联度和淀粉取代度等材料特征参数对模拟废水的处理效果的影响，揭示阳离子淀粉絮凝和纳米多孔TiO2光催化氧化协同作用机理，建立描述絮凝、光催化氧化过程协同作用动态模型，获得絮凝/光催化氧化过程强化的机理和普遍性规律，实现絮凝/反应体系过程强化复合材料的控制制备和操作优化。通过优化结构设计和制备工艺，提高复合材料的稳定性，实现多次使用或催化剂回收利用。

纳米TiO2是一种有效的光催化剂，在紫外光照射的条件下，可将有机物完全降解为CO2和H2O，在染料废水处理领域有很大潜力。但是，在光催化降解染料废水时分离回收纳米TiO2费时费能，而且悬浮的TiO2会造成光催化膜反应器中的膜污染；此外，由于禁带宽度很大，只能吸收太阳光中4-6%的紫外光，其在太阳光照射下的光催化活性有待提高。因此，单独使用纳米多孔TiO2存在光催化效率低、难以回收、要求紫外线光源等问题，以及过程耦合设计匮乏等关键科学问题，成为制约其实用化的严重障碍。. 本项目首先提出了新的乳液交联法制备多孔淀粉（CSM），该方法制备工艺简单、条件容易控制、不需使用价格昂贵的酶，有利于实现工业化，相比传统酶解法制备的交联多孔淀粉，对染料亚甲基蓝的吸附性能提高近4倍。在冷冻干燥法制备多孔淀粉的基础上，加入交联剂，制备了交联多孔淀粉（FDPS），比表面积为15.954m2/g，吸油率达到422%，对亚甲基蓝（MB）的最大饱和吸附量是233mg/g。然后在溶胶凝胶体系利用原位合成法制备交联淀粉微球/二氧化钛（CSM/ TiO2）复合材料、交联多孔淀粉/二氧化钛（FDPS/ TiO2）两种复合材料。两种复合材料都缩短了光催化反应时间，在相同的MB去除率下，复合材料的光催化反应时间仅为TiO2的12.5%。拟合了复合材料对MB溶液吸附及协同作用的热力学和动力学模型，对MB的吸附动力学和吸附-光催化协同动力学都很好的符合准二级动力学模型，反应过程以分子间扩散为控制步骤，提出了复合材料协同处理染料废水反应机理。最后，将研究拓展，制备了壳聚糖/FePc-TiO2光催化剂，将纳米TiO2的光催化作用扩展到可见光区；还制备了海藻酸钙/纳米TiO2微球，提高复合材料的稳定性，实现多次使用和回收利用；制备了抗污染的FePc-TiO2/PVDF杂化膜，提出了光催化反应过程耦合工艺。. 本项目发表期刊学术论文16篇，其中SCI/EI收录论文10/13篇。申请中国发明专利3项。参加国际会议5次，国内会议会议2次，发表会议论文8篇。获得省部级科技进步二等奖1项。已培养毕业硕士生5名。