粘土/C掺杂二氧化钛复合材料的可控制备及其 高选择性脱酚性能研究

In view of low efficiency on the traditional treatment on highly toxic and low-level organic pollutants in polluted waters, this project aims at a novel surface modified clay loading TiO2/C composite material with high selectivity and photo degradation. The surface and interlayer of clay is selectively modified through the Sol-Gel method and surface initiated- atom transfer radical polymerization(SI-ATRP) technology respectively, then a composite material is obtained in which the photocatalyst is loaded in the surface while the molecular imprinting polymer is graft from the interlayer of bentonite. The material structure is characterized by modern analysis methods. The relation between surface-modified structure and adsorption-degradation is investigated. The processes of selective adsorption and photodegredation are analyzed and the model is proposed accordingly. The internal relations and synergistic effect between adsorption-degradation properties and structure are discussed. The experimental results would provide a new method on the preparation of new water treatment agents, and provide scientific theoretical basis for removal of highly toxic and low-level organic pollutants.

针对传统方法处理污水中低浓度、高毒性有机污染物效率低的难题，本课题设计了具有选择性吸附和催化降解功能的表面修饰粘土/C-TiO2纳米复合材料，采用溶胶-凝胶法和表面引发原子转移自由基聚合法分别对粘土表面和层间进行选择性修饰，得到表面负载光催化剂、层间接枝印迹聚合物的复合材料。通过SEM、TEM、UV-Vis、HPLC-MS、FTIR、BET 等方法研究其吸附降解性能与表面修饰结构的内在联系，分析其选择性吸附-脱附-催化降解过程，建立吸附、降解模型，探讨聚合物/纳米复合材料的选择性吸附及光催化降解目标污染物的协同作用机理。该复合材料的研究对于设计新型高效、高选择性水处理剂具有很好的理论指导意义。本项目的实施为新型水处理剂的合成提供了新的思路，并为高效去除废水中低浓度、高毒性、持久性有机污染物提供科学的理论依据。

传统方法处理污水中低浓度、高毒性有机污染物效率低，易于出现二次污染，且对所处理污染物的选择性不强。设计开发新型高效的具有选择性吸附降解协同作用的水处理材料，对于解决有机废水中低浓度、高毒性污染物的处理有重要意义。本项目主要围绕新型吸附降解水处理材料的设计制备、选择性吸附材料的吸附机理、光催化降解污染物机理、吸附降解协同材料的设计制备及机理研究等方面开展工作。以粘土（膨润土、高岭土等）为基体，纤维素及纤维素接枝聚合物为模板，通过自由基聚合、原子转移自由基聚合，分子印迹修饰改性等技术与溶胶凝胶法相结合制备了粘土/聚合物/TiO2复合材料以及粘土/C掺杂TiO2复合材料，复合材料的结构及成分具有一定可控性，并对其吸附降解性能进行了研究。通过控制复合材料结构实现了其对多种污染物的选择性吸附；我们将改性修饰后的粘土与聚合物和TiO2复合，利用TiO2的光催化性能实现了复合材料对水中污染物的吸附降解协同进行，消除了二次污染的危害；复合材料中聚合物碳化后对二氧化钛的光催化活性有一定提高，同时实现了吸附降解材料的重复使用，并拓展了其对多种污染物的吸附应用。针对所制备的复合材料对可见光利用率低，仅可在紫外光下降解污染物的问题，通过引入能带间隙较小且与TiO2的能带结构相匹配的半导体材料与TiO2形成异质结结构，制备了对可见光吸收效率高，在可见光照射下具有良好催化性能的TiO2基异质结光催化剂，对目标污染物的吸附降解效率达到100%，多次循环使用后降解效率依然保持在95%以上。本项目的顺利实施为新型水处理剂的设计，及其在有机废水中低浓度、高毒性污染物的高效处理中的应用提供了有益思路。