MnO2/PS多级孔纳米纤维膜的制备及其空气净化性能研究开题报告
2020-04-18 20:05:39
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文 献 综 述
由于人类活动（如生交通，工业和发电厂等）排放的大量空气污染物，空气污染已成为一个主要的环境问题[1]。室内装修逐渐普及，种类繁多的装饰材料已成为市场消费的热点，这些材料大部分都会释放出一定浓度的甲醛。甲醛是一种原生毒物，对人体皮肤和黏膜有强烈刺激作用，长期接触会有恶心、呕吐、头晕目眩、头痛、软弱无力等不良反应，严重者会出现免疫功能异常， 造成肝、肺损伤，影响中枢神经系统，还可损伤细胞内的遗传物质，引起口腔癌、皮肤癌、肺癌、白血病等疾病，具有非常强烈的致癌作用[2]。此外，空气中的超细粉尘（如pm 2.5）会导致各种呼吸道和心血管疾病，甚至肺癌，增加其发病率和死亡率[3]。因此，研制高效空气净化材料用于协同净化甲醛和pm 2.5已成为迫切需求。
膜分离技术已经成为人们解决很多关键问题，例如资源短缺、环境污染等问题。因此成为了科技研发上不可或缺的技术，被广泛应用于各个领域。与常规分离方法相比，膜分离技术具有分离效率高、节能、占据较少空间、易于放大和控制、操作方便、无污染等优点，也因此吸引了研究者的目光，他们将膜分离技术与空气净化联系到了一起[4]，开发了多种空气过滤器。目前已有两种类型的空气过滤器被普遍使用。一种是基于尺寸排阻过滤的多孔膜过滤器，另一种类型是纤维空气过滤器，其直径从几微米到几十微米不等。前者虽然对pm 2.5的截留效率较高，但其孔隙率较低，过滤阻力较高；后者通常是驻极熔喷非织造材料、超细玻璃纤维纸等，孔隙率较高，过滤阻力较低，但其孔径较大，截留效率较低[5-6]。纳米纤维膜的纤维直径在几纳米到几百纳米范围，可以形成孔径小且内部连通性高的网状纤维结构，孔隙率高，气体渗透性好，有利于降低对pm 2.5的过滤阻力；同时，纳米纤维膜的纤维直径较细，尺度与空气分子的平均自由程（约66 nm）相当，由于”滑脱效应（slip effect）”， 使得过滤阻力降低[7]。此外，纳米纤维膜的比表面积较大，一般由静电纺丝技术制得，易于对其进行表面修饰而赋予功能化作用[8-12]。因此，纳米纤维膜已成为多功能气体净化材料的重要发展方向。静电纺丝法制备的微纳米聚合物纤维膜在空气和液体过滤和防护领域具有较大的应用潜力。对于静电纺多级孔材料，纤维本体的孔结构同时具有增大纤维外比表面积和择形的作用，而纤维间的孔结构则利于传质，且多级孔间具有协同效应。本研究采用静电纺丝法制备聚苯乙烯 (ps)多级孔纳米纤维膜。
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
一、本课题要研究的问题
利用静电纺丝技术，采用原位合成和掺杂混纺两种方案制备不同结构的MnO2/PS多级孔纳米纤维膜，研究其对甲醛和PM2.5的协同净化性能，实现多污染体系下气体协同净化。
二、本课题拟采用的研究手段（途径）
1. 水钠锰矿型MnO2的合成：
膜制备中所需的MnO2由KMnO4和正丁醇反应所得。反应机理如下：4KMnO4 3CH3CH2CH2CH2OH=3CH3CH2CH2COOH 4MnO2 4KOH H2O
制备方案如下表所示：
|
NO. |
KMnO4/g |
CKMnO4/（mol/L） |
所配溶液体积/ml |
正丁醇/ml |
温度/#176;C |
时间/h |
|
M1 |
3.16 |
0.4 |
50 |
8 |
60 |
2 |
|
M2 |
2.37 |
0.3 |
50 |
8 |
60 |
2 |
|
M3 |
1.58 |
0.2 |
50 |
8 |
60 |
2 |
|
M4 |
2.37 |
0.3 |
50 |
8 |
40 |
2 |
|
M5 |
2.37 |
0.3 |
50 |
8 |
25 |
2 |
|
M6 |
2.37 |
0.3 |
50 |
8 |
60 |
0.5 |
|
M7 |
2.37 |
0.3 |
50 |
8 |
60 |
3 |
实验步骤：
1) 称取一定量的 KMnO4 溶于去离子水中，形成一定浓度的KMnO4 溶液；
2) 量取8 ml的正丁醇加入到上述溶液中，以一定温度水浴加热一定时间；
3) 反应完成后进行抽滤，而后再用去离子水洗涤三次；
4) 经洗涤后的滤饼放在培养皿中送至烘箱烘干，待用
5) 采用SEM、TEM、XRD、FTIR表征制得的MnO2的形貌和结构。
2. MnO2/PS多级孔纳米纤维膜的制备
膜制备方案有两种：（1）原位合成法，即先利用静电纺丝技术制备PS多级孔纳米纤维膜，在将膜置于反应液中，在膜孔中原位合成MnO2。具体实验步骤如下：
1) 称取3.40 g的DMF和1 g的PS先后加入到事先准备好的装有转子的小瓶中迅速放至搅拌器上搅拌；待PS完全溶解后，再加入2.27 g的THF放置于通风橱中搅拌半小时；
2) 设置纺丝机的纺丝条件（电压除外），并用一个5 mL的注射器以设置推注前止点；用4支5 mL的注射器分别吸入大约1.5 mL的上述纺丝液，再按上21号针头，放至纺丝机中并进行手动推注至注射器尾端；调节电压至15 kV，接收距离20 cm，纺丝速率1.0 mL/h，进行静电纺丝；纺丝结束后，将膜放至烘箱60 ℃烘干待用；
3) 剪下一片与玻璃片差不多大的PS纤维膜，并用双面胶将其贴在玻璃片上放至能刚好容下玻璃片的容器中；
4) 量取8 ml的正丁醇浸泡玻璃片上的PS膜，10 min后揭下表面的铝箔（或者无纺布），并用滤纸吸掉多余的正丁醇，保持其湿润即可；
5) 配置一定浓度（0.4 mol/L、0.2 mol/L、0.15 mol/L）的KMnO4溶液100 ml，将其从边缘缓慢加入到上述容器中，60#176;C水浴加热2 h；
6) 反应结束后，取出膜水洗两遍去除表面多余的MnO2颗粒，再超声水洗至膜上的MnO2颗粒不再扩脱落；
7) 水洗后的膜用滤纸吸干，并将其从玻璃片上揭下放入培养皿中送至烘箱烘干。
（2）混纺法，即将MnO2颗粒掺杂到PS纺丝液中，通过静电纺丝一步直接纺制MnO2/PS多级孔纳米纤维膜。称取一定量（0.05 g、0.10 g、0.15 g）上述合成好的δ-MnO2，用研钵碾碎成粉末，加入到3.40 g的DMF中超声分散，超声时间小于5 min，再称取 1 g的PS加入到其中并迅速放至搅拌器上搅拌，溶解后加入2.27 g的THF放置于通风橱中搅拌半小时，然后进行静电纺丝，纺丝方案同上述制备PS纤维膜的一致。
3. 甲醛和PM2.5协同净化测试
将上述制备好的两种多级孔膜分别置于净化装置中进行甲醛和PM2.5协同净化实验，测试其对PM2.5的过滤效率和阻力，以及对甲醛的催化效率。
