理论教育 光催化技术在环境净化纺织品中的应用

光催化技术在环境净化纺织品中的应用

时间:2023-06-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:将光催化技术与纤维材料结合制备环境净化纺织品的研究早在20世纪的70年代到80年代就在日本出现。研发了宽光谱响应锐钛型纳米TiO2水溶胶及其织物整理关键技术,并建成了包括光触媒无缝墙布和遮光窗帘等具有环境净化功能的家纺织物生产线,将纳米TiO2负载织物的制备和应用技术推向新高度。近年来MOFs、Ag3PO4和Cu2O等新型光催化材料也相继被用来与纤维织物进行结合,不断为生态环境污染控制与修复和保障人体健康提供高性能的环境净化纺织品。

光催化技术在环境净化纺织品中的应用

光催化技术与纤维材料结合制备环境净化纺织品的研究早在20世纪的70年代到80年代就在日本出现。进入21世纪后,日本不仅在纳米TiO2负载纤维织物制备和应用技术方面进行了深入研究,而且还有一些专利产品进入市场。相关研究表明,使用纳米TiO2粉体、海藻酸钙和黏合剂制备的纳米TiO2涂层织物具有很高的光催化活性,在紫外光辐射条件下能够去除空气中的甲醛和苯等有机物。此外,这种纳米TiO2涂层织物还可经受多次洗涤而保持纳米TiO2不脱落,可以用作窗帘墙布等家用装饰织物。在纳米TiO2负载纤维织物应用开发方面,日本岐阜县纤维试验场将纳米TiO2粉体掺入聚酯中制成切片,经纺丝和牵伸能制成光触媒纤维。然后对该纤维进行碱减量加工使其中的纳米TiO2粒子尽可能地露在纤维表面而强化其光催化性能。这种纤维经织造形成具有蜂窝状组织的过滤布,在紫外线光辐射条件下显示出很好的乙醛分解能力。名古屋工业技术研究所将纳米TiO2光催化剂与纺织品相结合的技术作为研究重点,反复研究纳米TiO2粉体粒径和掺加量与其光催化效率的关系,力求简化纳米TiO2固着纤维织物工艺过程,开发了空调过滤布、建筑篷面布和窗帘等一系列用于净化空气的工业化产品,同时还给纳米TiO2负载纤维织物赋予消臭抗菌和防污的性能,在消除汽车尾气气味和提升室内空气质量方面发挥了重要作用。2005年后瑞士化学工程研究院使用棉、羊毛和涤纶等织物通过不同工艺制备了系列纳米TiO2负载纤维织物,并系统研究了其作为自清洁织物的特性,发现这些织物不仅能去除吸附于其表面的红酒、咖啡、茶和化妆品等多种污垢,而且还能够将这些污垢矿化为水和CO2等。此外,伊朗等国家研究人员也利用纳米TiO2和ZnO等开发了多种性能优良的抗菌织物。

国内关于纳米TiO2固着纤维织物的研究自20世纪90年代末兴起,在环境净化领域特别是空气净化方面也出现一些报道。使用浸轧工艺对不同种类织物如涤棉平布、针刺非织造布和蜂窝活性炭滤网进行纳米TiO2整理。其中针刺非织造布的纳米TiO2附着量较高,去除甲醛率可达89.7%。此外,使用粒度低于20nm的锐钛型纳米TiO2粉体通过涂层法制备了负载有光催化性能的纳米TiO2的织物。结果表明,这种纳米TiO2涂层织物不仅具有较高的光催化降解能力,而且性能持久,能耐多次洗涤而被反复利用。2003年后天津工业大学和南开大学的研究团队首先制备了稳定性好的纳米TiO2水分散液,然后分别借助浸轧工艺和涂层工艺将纳米TiO2光催化剂负载于棉、涤纶、麻和涤棉混纺织物等多种纤维织物表面,制备了一系列具有自主知识产权的空气净化用负载纳米TiO2的纤维织物,并对其光催化降解室内氨气和甲醛等污染物的特性进行了深入和系统的研究。结果表明,负载纳米TiO2的纯棉织物氨气净化性能远高于负载涤纶织物和涤/棉混纺织物。涂层法制备纳米TiO2负载织物的氨气去除率稍低于浸轧法制备的纳米TiO2负载织物,但是涂层法制备的TiO2负载棉织物却具有更耐久的净化氨气性能。近年来该团队对纳米TiO2水溶胶作为织物环境净化整理剂及其负载织物进行了系统攻关并取得了突破性进展。研发了宽光谱响应锐钛型纳米TiO2水溶胶及其织物整理关键技术,并建成了包括光触媒无缝墙布和遮光窗帘等具有环境净化功能的家纺织物生产线,将纳米TiO2负载织物的制备和应用技术推向新高度。此外,东华大学研究团队对纳米TiO2在纺织品表面的晶化处理方式和掺杂改性进行了深入研究,制备的纳米TiO2负载棉织物表现出多种功能性,在净化空气污染物方面具有一定优势。

在纤维金属配合物作为非均相Fenton反应光催化剂方面,21世纪初期英国研究团队进行了初步研究,他们使用盐酸羟胺和水合肼改性反应制备了偕胺肟改性PAN纤维金属配合物,并用来催化H2O2染料的氧化降解反应并取得了较好的效果。自2007年以来,天津工业大学的研究团队攻克了不同纤维表面配位基团的引入和优化技术,制备了基于合成纤维(PAN纤维、PP纤维和PTFE纤维等)和天然纤维(棉、羊毛和海藻纤维等)等一系列纤维金属配合物,并对它们作为非均相Fenton反应光催化剂的活性、应用工艺和作用机理进行了系统的研究。特别是利用聚丙烯腈(PAN)纤维的不同表面改性技术,结合过渡金属离子或稀土金属离子的配位反应,发明制备改性聚丙烯腈纤维铁配合物及其包芯纱网状织物催化材料,并将其作为非均相光Fenton反应光催化剂应用于染料废水的降解处理中。此外,他们还开发了多种含羧酸纤维金属配合物制备技术,基于不同纤维表面改性技术和金属离子配位反应,通过光催化性能和物理机械性能等多层面的优化调控,成功制备了低成本、高催化降解性和优良重复使用性的含羧酸纤维铁配合物及其包芯纱网状织物催化材料,并在染色废水处理和回用中获得较为理想的应用效果。(www.daowen.com)

金属酞菁是另一类基于配合物的光催化剂,十几年来将金属酞菁负载到纤维载体表面制备纤维金属配合物并将其应用于有机污染物的去除方面得到了较为深入的研究。浙江理工大学的研究团队将高反应性的钴酞菁通过接枝反应负载于活性碳纤维表面制备了活性碳纤维负载钴酞菁催化剂,并证实活性碳纤维的引入显著增强了其催化活性,可实现原位催化氧化和再生,克服了小分子酞菁在降解有机污染物时易带来二次污染的问题。此外,他们还在纤维素纤维、蚕丝纤维和锦纶纤维表面负载金属酞菁,制得的纤维负载金属酞菁催化功能纤维在无光照的条件下也能够有效地催化降解偶氮类染料和硫化氢等恶臭气体。近年来MOFs、Ag3PO4和Cu2O等新型光催化材料也相继被用来与纤维织物进行结合,不断为生态环境污染控制与修复和保障人体健康提供高性能的环境净化纺织品。

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