纳米材料研究现状分析论文提纲

论文题目：ZnO@PVDF纳米纤维复合膜的制备及其在水处理中的作用机制研究

摘要：淡水资源短缺是人类生存和发展面临的重要问题之一。近年来,由于原油泄漏等事故以及人口增长、工农业发展产生的废水越来越多,加剧了环境污染和水质恶化。因此,废水处理及水资源的环境净化已成为近年来国际研究的热点问题。氧化锌（ZnO）纳米材料由于具有高的比表面积、优异的光催化性、良好的抗菌性和热稳定性等特点,在废水处理领域具有广阔的应用前景。同时,静电纺纳米纤维材料以其高比表面积、独特的孔隙结构、易于功能化等优势也受到废水处理等相关研究的重视,被认为是解决相关问题的最有希望的材料之一。本文在分析ZnO纳米材料和纳米纤维材料在水净化领域的应用现状及存在的问题基础上,提出选用具有高比表面积、高柔韧性、高孔隙率和优异的化学稳定性等特点的电纺聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维膜作为ZnO纳米材料的衬底,制备ZnO@PVDF纳米纤维复合膜,通过该复合膜解决ZnO纳米材料重复利用率低的问题,同时弥补PVDF纳米纤维膜在污水处理中易污染和易结垢的缺陷,探究一种新型ZnO@PVDF纳米纤维复合膜的制备方法并研究其在废水处理中的作用机制。论文首先采用静电纺丝技术和水热合成技术相结合的方法,探究ZnO@PVDF纳米纤维复合膜制备的可行性,并探讨ZnO纳米线的结晶形态、形貌、生长位置及分布特征与前驱体浓度、热处理温度、生长液物质摩尔比和氨水体积比之间的关系。结果表明在乙酸锌（Zn（Ac）2）质量分数为1.5%,热处理温度为130℃,硝酸锌/六次甲基四胺（Zn（NO3）2/HMTA）摩尔比为3:1,氨水体积比为5%条件下,可获得在PVDF纳米纤维膜上单面生长直径均一、分布均匀的ZnO纳米线。构建出具有Janus结构的ZnO@PVDF纳米纤维复合膜,将其应用于油水分离领域和有机污染物降解领域。结果表明,ZnO纳米线的引入,能够增加PVDF纳米纤维膜的比表面积和表面粗糙度,并可改变纳米纤维复合膜表面水滴的润湿态（Wenzel态）。ZnO@PVDF纳米纤维复合膜在生长ZnO纳米线的一面表现出亲水性/水下疏油性,用水预润湿纳米复合膜,用于实现“水去除”;未生长的一面呈现疏水性,用于实现“油去除”,该纳米纤维复合膜对轻油/水混合物和重油/水混合物在重力驱动下分离效率可保持在98.33%-99.84%,水通量和油通量分别为1210 L m-2 h-1和7563 L m-2 h-1;经十次循环后,其分离重油或水的分离效率仍可达97%以上,其表现出优异的油水分离性能和循环稳定性。另外,利用ZnO纳米线的光催化性能,使得ZnO@PVDF纳米纤维复合膜在紫外线照射下具有良好的自清洁性能,在2h照射下,对10 mg L-1的罗丹明B（Rh B）溶液降解率可达98.93%,在五次循环后,该纳米纤维复合膜降解率保持在95%左右。为了进一步扩大ZnO@PVDF纳米纤维复合膜对可见光的吸收范围,论文在PVDF/Zn（Ac）2溶液中加入乙酸钐（Sm（Ac）3）盐,通过静电纺丝技术和水热合成技术制备出Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜。研究Sm（Ac）3加入量对纳米纤维复合膜形貌、晶体结构、比表面积、孔径分布和光催化性能的影响。结果表明,当加入0.12at%Sm（Ac）3时,ZnO纳米线的平均直径减小至45nm,带隙减小至3.09 e V,氧空位含量增加,纳米复合膜的比表面积增加至17.5 m~2 g-1,其平均孔径减小至0.1063μm。采用不同粒径的聚苯乙烯（PS）微球进行液体过滤测试,结果表明,在60 k Pa的渗透压力下,Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜对0.08μm的PS微球,具有较高的过滤效率（98%）和水通量(1847 L m-2 h-1)。此外,还探究其对有机物染料的光催化性能,结果表明,Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜在氙灯照射下对阴离子染料或阳离子染料降解率可达96%,在五次循环后,降解效率并无明显变化。最后,以静电纺丝技术和水热合成技术相结合制备的单面生长ZnO纳米纤维复合膜为前提,通过乙醇浸泡工艺使得PVDF纳米纤维膜的表面和内部均生长出ZnO纳米线,并利用ZnO纳米线自身羟基易被氟化的特性,结合化学气相沉积法制得改性P-ZnO@PVDF纳米纤维复合膜并应用于膜蒸馏领域。研究水热时间对纳米复合膜的形貌、孔隙率、孔径分布、润湿性和膜蒸馏性能的影响,结果表明,水热时间为2h时,P-ZnO@PVDF纳米复合膜孔隙率增大至91%,平均孔径为0.31μm,表面呈超疏水性。相比商业PVDF膜,P-ZnO@PVDF纳米纤维复合膜具有良好的耐润湿性和耐结垢性,这是因为改性的ZnO纳米线增加了膜表面异质成核势垒、降低流体与膜接触面积和接触时间,P-ZnO@PVDF纳米纤维复合膜对模拟海水运行60h后,截盐率可达99.9%,通量为15.7 L m-2h-1。论文的研究可为有机-无机纳米纤维复合膜的制备及其在高效油水分离、印染废水等有机废水的光催化降解及膜蒸馏等领域的应用提供新的思路和途径。

关键词：静电纺丝;纳米纤维复合膜;ZnO纳米线;PVDF纳米纤维;水净化

学科专业：纺织科学与工程

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 ZnO的结构与性质

1.3 ZnO基纳米复合材料的制备方法及研究进展

1.3.1 ZnO基纳米复合材料的制备方法

1.3.2 ZnO@无机物衬底复合材料的研究进展

1.3.3 ZnO@有机纳米纤维复合材料的研究进展

1.4 ZnO基纳米复合材料在水净化领域的应用

1.4.1 重金属离子的检测与去除

1.4.2 含油废水的处理

1.4.3 有机污染物的去除

1.4.4 海水淡化领域的应用

1.5 本文研究内容和意义

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究意义

第二章 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜的制备研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验仪器

2.2.3 PVDF/Zn(Ac)_2纳米纤维膜的制备

2.2.4 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜的制备

2.3 测试与表征

2.3.1 纳米纤维复合膜形貌表征

2.3.2 傅里叶变换红外光谱仪测试(FT-IR)

2.3.3 X射线衍射仪测试(XRD)

2.3.4 热重测试(TGA)

2.3.5 孔径测试

2.4 结果与讨论

2.4.1 热处理温度对ZnO@PVDF纳米纤维复合膜形貌、热稳定性和孔径的影响

2.4.2 水热摩尔比对ZnO@PVDF纳米纤维复合膜形貌的影响

2.4.3 氨水体积比对ZnO@PVDF纳米纤维复合膜形貌的影响

2.5 本章小结

第三章 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜的油水分离性能和自清洁性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料

3.2.2 实验仪器

3.2.3 PVDF/Zn(Ac)_2纳米纤维膜的制备

3.2.4 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜的制备

3.3 测试与表征

3.3.1 纺丝液电导率测试

3.3.2 纳米纤维复合膜形貌表征

3.3.3 傅里叶变换红外光谱仪测试(FT-IR)

3.3.4 热重测试(TGA)

3.3.5 X射线衍射仪测试(XRD)

3.3.6 比表面积测试(BET)

3.3.7 表面润湿性能测试

3.3.8 原子力显微镜测试(AFM)

3.3.9 力学性能测试

3.3.10 纳米纤维复合膜油水分离性能测试

3.3.11 纳米纤维复合膜光催化性能测试

3.4 结果与讨论

3.4.1 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜形貌分析

3.4.2 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜化学结构分析

3.4.3 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜晶体结构分析

3.4.4 ZnO纳米线的形成机理

3.4.5 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜比表面积分析和热学性能分析

3.4.6 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜力学分析

3.4.7 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜润湿性分析

3.4.8 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜油水分离机理及性能分析

3.4.9 ZnO@PVDF纳米纤维复合膜光催化性能分析

3.5 本章小结

第四章 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜的制备及其光催化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 材料和试剂

4.2.2 实验仪器

4.2.3 PVDF/Zn(Ac)_2/Sm(Ac)_3纳米纤维膜的制备

4.2.4 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜的制备

4.3 测试与表征

4.3.1 纳米纤维复合膜形貌表征

4.3.2 傅里叶变换红外光谱仪测试(FT-IR)

4.3.3 热重测试(TGA)

4.3.4 X射线衍射仪测试(XRD)

4.3.5 比表面积测试(BET)

4.3.6 X射线光电子能谱仪测试(XPS)

4.3.7 孔径和水通量测试

4.3.8 光催化性能测试

4.4 结果与讨论

4.4.1 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜形貌分析

4.4.2 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜化学结构分析

4.4.3 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜晶体结构分析

4.4.4 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜比表面积分析

4.4.5 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜热学性能分析

4.4.6 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜元素分析

4.4.7 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜紫外-可见漫反射光谱分析

4.4.8 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜孔径和水通量分析

4.4.9 Sm掺杂ZnO@PVDF纳米纤维复合膜光催化性能分析及机理分析

4.5 本章小结

第五章 P-ZnO@PVDF纳米纤维复合膜的制备及其膜蒸馏性能的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 实验材料

5.2.2 实验仪器

5.2.3 PVDF/ZnO纳米纤维膜的制备

5.2.4 P-ZnO@PVDF纳米纤维复合膜的制备

5.3 测试与表征

5.3.1 纳米纤维复合膜形貌表征

5.3.2 傅里叶变化红外光谱仪测试(FT-IR)

5.3.3 X射线衍射仪测试(XRD)

5.3.4 X射线光电子能谱仪测试(XPS)

5.3.5 表面润湿性能测试

5.3.6 力学性能测试

5.3.7 孔径测试

5.3.8 孔隙率测试

5.3.9 液体渗透压力测试(LEP)

5.3.10 耐酸碱性测试

5.3.11 膜蒸馏性能测试

5.4 结果与讨论

5.4.1 P-ZnO@PVDF纳米纤维复合膜形貌分析

5.4.2 P-ZnO@PVDF纳米纤维复合膜化学成分分析

5.4.3 P-ZnO@PVDF纳米纤维复合膜孔径、润湿性、耐酸碱性和力学性能分析

5.4.4 P-ZnO@PVDF纳米纤维复合膜膜蒸馏性能分析

5.4.5 P-ZnO@PVDF纳米纤维复合膜耐润湿和耐结垢分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文的主要内容

6.2 本文的不足和展望

参考文献

致谢