拓　曉，李衛(wèi)斌，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

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光觸媒負(fù)載玻璃纖維織物的研究進(jìn)展

拓曉，李衛(wèi)斌，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

摘要：簡(jiǎn)述了玻璃纖維織物在光催化技術(shù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，介紹了TiO2負(fù)載玻璃纖維織物在處理水中、大氣中污染物及抗菌自清潔方面的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，然后敘述了TiO2負(fù)載玻璃纖維織物的制備方法，最后展望了光觸媒負(fù)載玻璃纖維織物的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維織物光觸媒應(yīng)用制備

0前言

光觸媒是一類(lèi)半導(dǎo)體光催化劑，它以二氧化鈦為代表，在光照下能夠產(chǎn)生強(qiáng)氧化還原性的粒子。這些具有強(qiáng)氧化還原性的粒子不僅能夠?qū)⒖諝夂退械挠泻ξ镔|(zhì)徹底分解掉，一些病毒細(xì)菌類(lèi)微生物也會(huì)通過(guò)氧化還原而被殺滅，最終起到凈化環(huán)境，抗菌自清潔的作用。光催化反應(yīng)過(guò)程利用太陽(yáng)光，可在常溫常壓下進(jìn)行，最終產(chǎn)物為無(wú)污染的二氧化碳和水，催化劑可反復(fù)利用，催化效率高。光催化技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)是一種非常具有發(fā)展未來(lái)的技術(shù)[1-4]。

光催化劑存在形式一般為粉末，這在應(yīng)用時(shí)增加了其回收的不方便性，例如在水中應(yīng)用后需要用沉淀等方法將其回收，操作復(fù)雜，成本高。而且粉末狀的催化劑很容易團(tuán)聚從而失去催化活性，將光催化劑固著在一定的基體上可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。近年來(lái)許多研究者采用了多種材料作為載體，如玻璃纖維、陶瓷、鋁片等[5-6]。陶瓷、鋁片等硬質(zhì)的材料適用范圍局限，而玻璃纖維柔軟易加工，用它作為載體具有很多優(yōu)勢(shì)[7]。一般紡織品采用的纖維例如棉、滌綸、錦綸等都是有機(jī)物構(gòu)成的，目前將催化劑負(fù)載在普通紡織品上的研究已經(jīng)逐步展開(kāi)[8-11]。和上述纖維相比，作為無(wú)機(jī)纖維的玻璃纖維具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)的性能[12]，能夠滿足光催化劑高溫加工需要，且不會(huì)被具有強(qiáng)氧化性的光催化劑腐蝕；其次，玻璃纖維具有較強(qiáng)透光性，附著在其表面的催化劑可以最大限度的利用光能；然后，玻璃纖維可紡、可織，可以針對(duì)使用場(chǎng)合對(duì)其進(jìn)行編織，靈活的控制它的尺寸形狀，滿足不同需要[13]。玻璃纖維作為基體固著光催化劑的材料在各個(gè)環(huán)境領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛研究和應(yīng)用[14-17]。

1TiO2/GF對(duì)水中污染物的光催化降解

傳統(tǒng)已經(jīng)有一些方法被用來(lái)消除水體中的污染物質(zhì)，這些方法包括活性炭吸附和絮狀沉淀等?；钚蕴课降姆椒m然能夠有效的去除水中的污染物，但是這些污染物只是從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)地方，并沒(méi)有被徹底的氧化降解，很容易造成二次污染。絮狀沉淀法的操作比較簡(jiǎn)單，但是去除污染物的效率比較低，不到79%，很難達(dá)到要求[18]。用光催材料處理污水效率高，能將污染物徹底的氧化分解，從而有效的避免這些問(wèn)題。然而粉末狀的光催化劑在水中使用時(shí)很容易團(tuán)聚，使其比表面積變小，吸附性能和吸光特性大大減小，從而使其光催化效果大打折扣，而且每次處理水體污染物之后都要采用沉淀等方法回收催化劑，不僅工序繁雜，還會(huì)使催化劑粉末流失，浪費(fèi)資源[19]。光觸媒負(fù)載玻璃纖維織物的誕生有效的解決了這個(gè)問(wèn)題。玻璃纖維織物的存在為光催化劑提供了附著點(diǎn)，能夠?qū)⒋呋瘎┝Ｗ永卫喂潭ㄗ?，不僅能夠高效的氧化降解污染物，而且還便于催化劑的回收。固著有光催化劑的玻璃纖維在污水治理領(lǐng)域已得到了廣泛的研究和應(yīng)用[20-21]。

付正祥[22]等人用溶膠凝膠法將納米二氧化鈦固著在高硅氧玻璃纖維織物上，然后用這種織物對(duì)造紙廢水進(jìn)行處理。發(fā)現(xiàn)它對(duì)造紙廢水中COD的去除率能接近100%，在經(jīng)過(guò)20次的重復(fù)性試驗(yàn)后二氧化鈦負(fù)載高硅氧玻璃纖維織物對(duì)COD的去除效果基本不變。

王西峰[23]等人用溶膠—凝膠的方法將摻鐵二氧化鈦負(fù)載在玻璃纖維織物上，研究其降解水中苯酚的性能。他們探究了苯酚溶液的起始濃度，氧氣含量等條件對(duì)苯酚溶液催化降解效果的影響情況，結(jié)果表明在苯酚溶液的起始濃度為30mg/L，通入足量的氧氣的情況下，經(jīng)過(guò)兩個(gè)小時(shí)，在該二氧化鈦玻璃纖維的作用下苯酚的礦化率達(dá)到了83%。

劉延湘[24]等人用溶膠—凝膠法將Fe3+摻雜二氧化鈦負(fù)載在玻璃纖維織物上，探究pH值，F(xiàn)e3+摻入量，光源條件，O2含量對(duì)該復(fù)合織物去除CODcr的效果。結(jié)果表明在Fe3+含量1.5%，pH值6-8，空氣流速0.2m3/h-1的條件下，污水中CODcr的去除效果能達(dá)到95%。

弓曉峰[25]等人用溶膠凝膠的方法制備了TiO2光催化劑，然后將其負(fù)載在玻璃纖維織物上，對(duì)其做了垃圾濾滲液的光催化降解性能研究，結(jié)果表明該TiO2負(fù)載的玻璃纖維織物對(duì)垃圾濾滲液的處理效果比較好,能達(dá)到60%。另外作者還用其他不同的材料作為載體測(cè)試對(duì)垃圾濾滲液的降解效果，結(jié)果表明玻璃纖維和玻璃管作為載體效果相當(dāng)，都較好，但是玻璃纖維柔軟更易于加工，應(yīng)給予優(yōu)先選擇。

楊新宇[26]等人用溶膠凝膠法制備了TiO2負(fù)載玻璃纖維光催化材料，對(duì)甲基橙進(jìn)行光催化降解性能測(cè)試，考察了溶液酸堿性，負(fù)載次數(shù)對(duì)光催化效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在酸性條件下，負(fù)載次數(shù)為六次時(shí)，該催化體系對(duì)目標(biāo)物甲基橙溶液的降解效率能接近45%。

此外還有林中信[27]等人把亞甲基藍(lán)溶液作為催化對(duì)象，做TiO2/GF光催化材料催化降解性能研究；路婧婧[28]等人用玻璃纖維網(wǎng)光催化材料做苯酚溶液降解研究；李云龍[29]等人以亞甲基藍(lán)溶液為催化降解對(duì)象，做Si-TiO2/GF復(fù)合光催化材料性能研究；趙謙[30]等人以苯酚溶液為目標(biāo)物，研究TiO2/GF催化材料在可見(jiàn)光下光催化性能的影響。

2TiO2/GF對(duì)氣體類(lèi)污染物的光催化降解

空氣中污染物能夠通過(guò)呼吸進(jìn)入人體，室內(nèi)裝修材料釋放的污染氣體甲醛以及汽車(chē)尾氣中的苯類(lèi)、烴類(lèi)等會(huì)嚴(yán)重威脅人體健康。甲醛作為室內(nèi)主要的污染源不僅會(huì)刺激人體皮膚粘膜，而且已經(jīng)被證明具有致癌的作用，室內(nèi)甲醛對(duì)于人體的生命健康有潛在的巨大的危害。所以采取一定的方法治理空氣中的污染物是非常必要的。傳統(tǒng)已經(jīng)有一些方法用來(lái)治理空氣污染，例如催化燃燒、活性炭吸附等，這些方法會(huì)產(chǎn)生二次污染，不能徹底有效的解決問(wèn)題。與傳統(tǒng)的治理方法相比光催化法治理氣相污染物有諸多優(yōu)勢(shì)，它不產(chǎn)生二次污染物，可在常溫常壓下進(jìn)行，速度快，效率高。用玻璃纖維作為載體能充分發(fā)揮玻璃纖維表面積大的優(yōu)勢(shì)，不僅能夠最大限度的利用光能，還能使光催化劑與有害氣體分子充分接觸，使光觸媒催化劑最有效的發(fā)揮作用[31-32]。

全燮[33]等人用溶膠—凝膠法制備了SiO2-TiO2/GF和TiO2/GF復(fù)合光催化體系膜，用該催化材料對(duì)甲醛氣體做降解測(cè)試。結(jié)果表明SiO2-TiO2/GF催化體系降解效率可達(dá)80%以上，比TiO2/GF催化體系高20%以上。

顧卓良[34]等人用浸漬涂布的方法制備了納米二氧化鈦負(fù)載玻璃纖維織物催化體系，用其對(duì)氣態(tài)苯進(jìn)行光催化降解的研究，探究了反應(yīng)條件對(duì)光催化效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)苯的進(jìn)口濃度為350mg/m3，相對(duì)濕度為60%，氧氣體積分?jǐn)?shù)為20%，該催化體系對(duì)氣相苯具有較好降解效果,可達(dá)到70%。

重慶大學(xué)的檀科明[35]以車(chē)內(nèi)甲醛為目標(biāo)物，系統(tǒng)研究了V5+/TiO2-SiO2復(fù)合光催化劑的光催化特性，對(duì)復(fù)合催化體系的制備條件以及影響甲醛降解的因素作了研究，證明了制備的復(fù)合催化劑體系實(shí)際應(yīng)用于車(chē)內(nèi)環(huán)境具有良好的效果。

李娟[36]等人制備了V5+-TiO2/GF光催化劑，以甲醛為目標(biāo)進(jìn)行降解測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在V的加入量在3%時(shí)，V5+-TiO2/GF光催化材料對(duì)甲醛氣體的催化效率可達(dá)到65%。

將光催化劑負(fù)載到玻璃纖維織物上，制成壁掛、地毯等室內(nèi)及車(chē)內(nèi)用品，能夠使玻璃纖維和光催化劑優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，賦予這些紡織品凈化空氣的功能，具有較好的應(yīng)用發(fā)展前景。

3TiO2/GF在抗菌自清潔方面的研究

光觸媒在光照下可以產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的粒子，這些粒子能殺滅與其接觸的微生物，起到殺菌、除臭、防止霉變的作用。光催化反應(yīng)階段生成的活性粒子(雙氧水H2O2、超氧離子O2-、過(guò)羥基·OOH和羥基·OH)能與一些生物大分子(脂類(lèi)、核酸、蛋白質(zhì)以及酶類(lèi))發(fā)生作用，破壞細(xì)菌病毒的結(jié)構(gòu)，從而將微生物消滅。將光催化劑負(fù)載在玻璃纖維織物上，可以充分發(fā)揮玻璃纖維表面積大和易于編織加工成型的優(yōu)點(diǎn)，使光催化劑能夠在更多的場(chǎng)合發(fā)揮更高效的作用。

孫玉鳳[37]等人用溶膠—凝膠法制備了二氧化鈦光催化劑，將其負(fù)載在玻璃纖維織物上制成了二氧化鈦/玻璃纖維光催化材料，他們改變工藝條件制備出不同煅燒溫度、煅燒時(shí)間、浸涂次數(shù)的二氧化鈦/玻璃纖維織物，測(cè)試其在光照下的殺菌效果，得出最佳的制備工藝為:燒制溫度450℃，燒制時(shí)間2h，浸漬凃負(fù)次數(shù)3次。最佳條件下制備的玻璃纖維織物能夠達(dá)到70.4%的殺菌率。他們還發(fā)現(xiàn)該二氧化鈦/玻璃纖維織物在經(jīng)過(guò)多次使用后殺菌自清潔效果基本無(wú)變化，說(shuō)明光觸媒負(fù)載玻璃纖維織物在抗菌方面具備非常好的重復(fù)使用性能。

王劍[38]等人制備了二氧化鈦玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，用羅丹明B作為目標(biāo)降解物，研究了它的自去污性能，發(fā)現(xiàn)該材料具有非常好的光催化和自去污能力。

4TiO2/GF的制備方法

光催化劑和玻璃纖維織物良好的的結(jié)合不僅可以保證催化劑不易脫落，而且能使催化劑分布均勻，厚度適中，最大限度發(fā)揮光催化劑作用。目前最常見(jiàn)的制備途徑是溶膠—凝膠法，這種方法利用光催化劑前驅(qū)體制備出溶膠，再將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的玻璃纖維織物負(fù)載上光催化劑，最后經(jīng)高溫烘焙等工藝制成光觸媒負(fù)載的玻璃纖維織物。另外，較常用的方法是將光觸媒粉末采用一定的手段分散到一定的液體手段中，再用浸軋—烘干方法制備出光觸媒負(fù)載玻璃纖維織物，這種方法工藝流程短，無(wú)需經(jīng)過(guò)高溫步驟，然而經(jīng)過(guò)這種方法加工后光催化劑顆粒易在玻璃纖維表面團(tuán)聚，降低催化劑催化效果。

5結(jié)語(yǔ)

環(huán)境惡化愈演愈烈，大眾環(huán)保意識(shí)卻越來(lái)越強(qiáng)，此背景下，具有凈化環(huán)境功能的產(chǎn)品必然會(huì)越來(lái)越受歡迎。光觸媒負(fù)載玻璃纖維作為此類(lèi)環(huán)保產(chǎn)品必然也具有較好發(fā)展前景,在污水治理，污染大氣治理，以及抗菌方面能夠發(fā)揮重要作用。然而對(duì)于光觸媒方面的研究國(guó)外的起步較早，研究較多，國(guó)內(nèi)對(duì)于此方面的研究尚不成熟,光觸媒負(fù)載玻璃纖維織物雖具有巨大發(fā)展?jié)摿?，但距離規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用還有一定的距離，因此加速光觸負(fù)載媒玻璃纖維織物的研究十分必要。

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中圖分類(lèi)號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)01-0028-04

通訊作者：趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：紡織材料與紡織品設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51206122)

收稿日期：2015-10-27

第一作者：拓曉(1989-)，女，碩士，研究方向：光催化玻璃纖維織物。