用于热催化废水处理的静电纺聚偏二氟乙烯-氧化锌复合纤维

《Cleaner Water》：Electrospun Polyvinylidene Fluoride-ZnO Composite Fibers for Pyrocatalytic Wastewater Treatment

本研究采用电纺技术制备PVDF/ZnO复合纤维膜，通过XRD、FTIR等表征证实高电压（18kV）下β相含量显著提升，增强吡罗催化性能。在60次温变循环中，MB染料降解率达91.84%，活性物种经淬灭实验证实，且材料重复使用性良好。

　　近年来，随着工业的快速发展和全球人口的增加，工业和生活污水的排放量迅速上升，导致水污染问题日益严重。特别是来自纺织、食品和医疗等行业的合成染料，已成为水体污染的重要来源之一。传统的污水处理方法如吸附、电化学焚烧和过滤等虽然被广泛应用，但它们在处理染料污染物时往往效果有限，并且可能产生污泥或二次产物。因此，研究人员开始探索新的方法，如光催化、压电催化和热催化（pyrocatalysis），这些方法在去除染料污染方面展现出更高的效率和更低的负面影响。热催化利用温度变化引发的电荷分离来驱动氧化还原反应，从而降解染料分子，这种方法不仅具有可持续性，还能有效利用工业废热和太阳能等资源，因此在实际应用中具有重要意义。

在众多热催化材料中，具有优异热电性能的材料尤为受到关注。聚偏氟乙烯（PVDF）因其出色的热、化学和机械性能而成为一种极具潜力的材料。然而，单独使用PVDF进行热催化效果有限，因此研究人员尝试将其与其他材料复合，以增强其催化性能。锌氧化物（ZnO）作为一种具有高表面能和极性表面的材料，被广泛用于增强PVDF的热电特性。ZnO的加入不仅有助于形成更稳定的β相，还能增加材料的比表面积，从而提供更多活性位点，促进热催化反应的进行。

本研究通过静电纺丝技术合成PVDF和PVDF-ZnO复合纤维膜，并利用甲基蓝（MB）作为染料污染物，评估其在热催化条件下的降解性能。实验发现，在18 kV电压下静电纺丝的PVDF-ZnO膜表现出最佳的染料降解效果，达到91.84%的降解率。这一结果表明，电压对β相的形成和热催化活性有显著影响。静电纺丝过程中，高电压促进了PVDF分子链的对齐，从而提高了β相的含量，进而增强了材料的热电性能。此外，ZnO的加入也改善了PVDF的电荷分离能力，提高了其作为热催化剂的效率。

为了进一步验证热催化过程中的活性物种，研究中还进行了自由基捕获实验，使用乙二胺四乙酸（EDTA）、异丙醇（IPA）和苯醌（BQ）作为捕获剂。实验结果显示，当这些捕获剂加入后，MB的降解率显著下降，说明热催化过程中确实产生了如超氧自由基（•O??）和羟基自由基（•OH）等活性物种。这些自由基与水分子反应，生成更多的氧化还原反应位点，从而加速染料的降解过程。

此外，为了确保材料在实际应用中的重复性和可回收性，研究还进行了多次重复实验。结果显示，即使经过多次热循环，PVDF-ZnO膜仍能保持较高的降解效率，表明其具有良好的稳定性和可重复使用性。这一特性对于实际的污水处理应用至关重要，因为它意味着该材料可以在长期运行中保持高效，减少更换频率，降低使用成本。

研究还通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了材料的结构和分子构型。XRD结果表明，随着电压的增加，PVDF的β相峰强度增强，说明高电压促进了β相的形成。FTIR分析进一步支持了这一结论，表明ZnO的加入显著改变了PVDF的分子构型，增加了β相的含量，从而提高了其热电性能。同时，扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）显示，ZnO纳米颗粒在PVDF纤维表面均匀分布，为热催化反应提供了更多的活性位点。

在热电性能方面，研究还分析了不同电压条件下PVDF和PVDF-ZnO膜的介电常数（ε）和热电系数（p）。结果显示，PVDF-ZnO膜的介电常数显著高于纯PVDF膜，这可能是由于ZnO的加入增加了材料的极化能力。同时，热电系数的提高也表明，ZnO的加入有助于增强材料的热电响应，从而提升其热催化效率。

为了评估热催化过程中的反应动力学，研究采用伪一级动力学模型进行分析。结果显示，ZP2膜（18 kV静电纺丝的PVDF-ZnO膜）表现出最高的降解速率常数（k），表明其在热催化过程中具有更高的反应活性。这进一步验证了ZnO的加入对提高PVDF热催化性能的重要性。

研究还比较了不同材料在热催化条件下的染料降解效果。结果显示，PVDF-ZnO膜在60次热循环后的降解率显著高于其他材料，如V?O?/BiVO?复合材料、SrTiO?等。这表明，PVDF-ZnO复合膜在热催化应用中具有更广泛的应用前景。

在实际应用中，热催化材料的可重复使用性和稳定性是关键因素。研究中，ZP2膜在多次重复使用后仍能保持较高的降解效率，表明其在实际污水处理过程中具有良好的耐用性和适应性。此外，材料的多孔结构不仅增加了比表面积，还提供了更多的活性位点，使其在热催化反应中表现优异。

综上所述，本研究通过静电纺丝技术合成的PVDF-ZnO复合纤维膜在热催化降解甲基蓝方面表现出显著的优越性。其高β相含量、优异的热电性能和良好的重复使用性使其成为一种极具潜力的热催化剂。未来，进一步优化材料的制备工艺和结构，有望在更广泛的污水处理领域中发挥重要作用。