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图1. 固定CNNS的CaAlg凝胶球的扫描电镜图(标尺200 μm)。(a,b)表面,(c,d)横截面
这种相互贯通的大孔结构可以为污染物的传质提供快速通道,使凝胶球对污染物实现高效去除。实验中通过不添加SDS和NaHCO3制得实心结构凝胶球,以及改变制备时针头的内径制得了不同尺寸的贯通大孔凝胶球。以罗丹明B(RhB)为目标污染物,对比了在暗环境和可见光下凝胶球的吸附及光催化效率。如图2所示,具有贯通大孔结构的凝胶球无论是在暗环境还是可见光下,对RhB都表现出更高的去除率,在45 min的可见光照射下能去除99%以上的RhB;而具有实心结构的凝胶球在相同条件下,仅能去除35%的RhB。同时,随着大孔凝胶球直径的减小,可见光和污染物分子更容易到达凝胶球内部,使凝胶球对污染物的吸附和光催化过程更快速。
图2. 凝胶球的结构和尺寸对水中RhB去除性能的影响。(a)暗吸附性能,(b)可见光下光催化性能。1#—直径为3.0 mm的实心结构凝胶球,2#-4#—直径分别为4.1 mm、3.3 mm、2.3 mm的贯通大孔结构凝胶球
该文系统研究了预凝胶溶液组成如CNNS与NaAlg质量比(mCNNS:mNaAlg)、NaAlg浓度、NaHCO3含量和SDS含量等对固定CNNS的CaAlg凝胶球的结构以及其光催化性能的影响。如图3,制备CaAlg凝胶球最合适的NaAlg浓度是1.5%(v/v)。NaAlg浓度的继续增加会导致凝胶球内凝胶网络更加致密,从而对凝胶的光催化性能产生不利影响。预凝胶溶液中含有的NaHCO3在交联过程中使相互独立的气泡变得连通,对实现凝胶球相互贯通的大孔结构起到关键作用。SDS的加入对形成稳定的泡沫状预凝胶溶液非常重要。经过优选,当预凝胶溶液的组成为20 mL水、100 mg CNNS (mCNNS:mNaAlg= 1:3)、300 mg NaAlg (1.5%,v/v)、300 mg的 NaHCO3和60 mg的SDS时,制得的固定CNNS的CaAlg凝胶球具有最佳的光催化性能,30 min内能去除水中99%以上的RhB。
图3. 预凝胶溶液组成对凝胶球光催化性能的影响。(a)CNNS与NaAlg质量比的影响,(b)NaAlg浓度的影响,(c)NaHCO3含量的影响,(d)SDS含量的影响
此外,该文还研究了RhB溶液的pH值对凝胶球吸附和光催化性能的影响。随着RhB溶液pH值的降低,海藻酸凝胶的质子化使RhB与凝胶的吸附减弱(图4a,b),不利于RhB的去除。通过自由基捕获实验以及电子顺磁共振谱(图4c,d),证明了在可见光下对RhB去除起主要作用的是超氧自由基(·O2)。制得的固定CNNS的贯通大孔CaAlg凝胶球可以容易地实现回收,且具有良好的重复稳定性,在可见光下连续使用5次后,其对RhB的去除率几乎没有发生变化(图4e,f)。
图4. (a, b)RhB溶液pH值对吸附(a)和光催化性能(b)的影响;(c, d)基于自由基捕获实验(c)和电子顺磁共振谱(d)的自由基确定;(e, f)可见光下重复使用性能,其中,(e)为循环运行测试,(f)为每次循环运行中RhB的去除率。
Ind. Eng. Chem. Res.2021, 60, 24, 8762–8775
Publication Date: June10, 2021
https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c00971
Copyright © 2021 American Chemical Society
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