【摘要】：隨著工業(yè)化進程的加快,環(huán)境污染日益嚴重,特別是在發(fā)展中國家,嚴重威脅著人類的健康。其中,不同大小的顆粒物(PM)是主要的空氣污染物,PM富含大量有毒有害成分,在大氣中停留時間長,嚴重影響大氣環(huán)境的質量。研究表明,顆粒越小對人體健康的危害越大,因為直徑越小,進入呼吸道的部位越深。10 μm直徑的顆粒物通常沉積在上呼吸道,2 μm以下的可深入到肺泡。細顆粒物進入人體肺泡后,直接影響肺的通氣功能,使機體容易處在缺氧狀態(tài)。已經有大量的流行病學研究表明長期暴露在細顆粒物環(huán)境中,人的免疫系統和神經系統會受到嚴重影響,增加患急性呼吸道疾病與心腦血管疾病的風險。因此,公眾在霧霾天氣期間通常需要采取措施進行戶外個人保護,主要集中在空氣過濾器的使用。通常使用的空氣過濾器分兩種類型,一種是多孔膜過濾器,這種類型的空氣過濾器是通過在固體基底上產生孔隙而制成,并且通常具有非常小的孔徑以過濾具有較大尺寸的PM。但是這種類型過濾器的孔隙率低(30%),即雖然過濾效率高,但是透氣性差。另一種類型的空氣過濾器是纖維空氣過濾器,是通過厚物理屏障和粘附效應捕獲PM。為了獲得高效率,這種類型的過濾器通常非常厚,因此透氣性差。此外,研究發(fā)現當空氣過濾器的表面被改性以匹配PM的表面性能時,單纖維的捕獲能力能夠被有力增強。因此,為了滿足高效低阻PM過濾器的要求,我們在這里根據已有的研究成果開發(fā)出了新型的復合納米纖維過濾膜,其具有高過濾效率,低氣流阻力和優(yōu)異的力學性能�；陟o電紡絲方法制備的納米纖維過濾膜具有比表面積大、孔隙率高和制備過程簡單等一系列優(yōu)點,本文采用靜電紡絲的方法制備均勻的納米纖維過濾膜來進行以下幾個方面的研究:(1)通過一步靜電紡絲法在聚丙烯腈(PAN)納米纖維表面和內部鑲嵌氧化還原石墨烯(rGO)納米片,制備rGO功能化的PAN高效低阻納米纖維過濾膜。研究結果表明復合納米纖維膜在高氣流下的過濾性能得到了明顯的改善。其中,含有2.5 wt.%rGO納米片的納米纖維過濾膜表現出最優(yōu)的PM去除效率(99.9%),0.094Pa-1的品質因數以及僅70Pa的壓降。此外,rGO復合PAN納米纖維膜的拉伸強度(0.48～1.25 MPa)遠高于純PAN納米纖維膜的拉伸強度(0.19 MPa),使純PAN納米纖維膜的力學性能得到明顯改善。(2)接下來,為了改善聚合物納米纖維膜的固有缺陷(熱穩(wěn)定性差、對0.3μm的PM幾乎沒有吸附效果),受半導體納米材料光電效應的啟發(fā),我們采用靜電紡絲和熱處理相結合的方法制備TiO2復合碳基納米纖維膜,使純碳纖維過濾膜的PM捕獲效率從40.71%提高到99.92%,同時膜的壓降保持在70 Pa以下,QF高達0.111Pa-1。同時,TiO2納米顆粒的小尺寸效應,使復合碳纖維膜的柔性得到明顯改善。并且,通過設計光照實驗證明了所制備TiO2復合碳基納米纖維膜在紫外光照射下具有優(yōu)異的PM吸附能力,特別是對于PM0.3。結合紫外光電子能譜(UPS)測試和三維時域有限差分(FDTD)模擬,并根據半導體復合材料的能帶彎曲理論,得出半導體TiO2復合碳納米纖維異質結在肖特基勢壘的作用下形成內建電場,清楚地解釋了所制備材料的優(yōu)異單纖維過濾性能主要是由于靜電吸附的作用,為以后的研究實驗奠定了基礎。
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ340.64;TB332;X513
【圖文】：

１．１研究背景逡逑近１０年來，隨著空氣污染的加劇，我國中部和東部霧霾天氣越來越頻繁［１］，逡逑如圖１．１所示，嚴重影響居民的健康生活�？諝馕廴疚镏饕煛⒙鋲m、煤塵、逡逑氣體、粒狀物、放射性有毒化學物或其他室外大氣中的含有物。其中，空氣中的逡逑顆粒物（ＰＭ）污染是對公眾健康構成巨大威脅的最嚴重的環(huán)境問題之一［２４］�？斟义蠚馕廴景矗校偷臐舛确譃榱己谩⒅械�、不良、極不良、有害和危險５個等級［５，６］。逡逑２０１２年聯合國環(huán)境規(guī)劃署指出每年有近２００萬的過早死亡病例與顆粒物污染有逡逑關。《美國國家科學院院刊》也發(fā)表報告稱人類的平均壽命因為空氣污染很可能逡逑已經縮短了邋５年半。并且早在１９９７年，世界銀行就預計有５萬中國人因為空氣逡逑污染而過早死亡，中國的空氣污染使得城市居民的壽命減少了邋１８年［７，８：１。更糟糕逡逑的是，２０１６年底中國霧霾加劇，京津冀及周邊地區(qū)深陷“霾伏”。４０個城市發(fā)布逡逑了重污染天氣預警。其中，包括北京在內的２３個城市發(fā)布了紅色預警，１７個城逡逑市發(fā)布橙色預警。逡逑ｉ福＇．置．．逡逑�。殄澹蛇妸﹀澹校停恚ǎ蓿╁义�

徑小于或等于２．５邋ｐｍ的顆粒物，對空氣質量和能見度有嚴重影響，是導致霧霾逡逑的罪魁禍首［１（）］。ＰＭ主要由硫和氮的氧化物組成，成分復雜，主要取決于其來源逡逑的多樣化［１１］。ＰＭ的來源主要有自然源和人為源兩種，如圖１．２所示，但危害較逡逑大是后者。自然源包括土壤揚塵、植物花粉和自然界中的災害事件，如火山爆發(fā)逡逑向大氣中排放了大量的火山灰，森林大火以及塵暴事件等都會將大量的ＰＭ輸逡逑送到大氣中［１２］。人為源分為固定源和流動源：固定源主要是各種燃料的燃燒如燃逡逑氣燃煤燃油排放的煙塵，尤其是在發(fā)電、冶金、石油、紡織等工業(yè)領域；流動源逡逑主要是各類交通工具產生的尾氣。因為煤炭取暖是發(fā)展中國家居民取暖的主要逡逑方式，所以發(fā)展中國家面臨更為嚴峻的環(huán)境污染問題。在室內，二手煙是ＰＭ最逡逑主要的來源，因為煙草產品的燃燒會產生具有嚴重危害的顆粒物。日常生活中，逡逑人們通常需要根據空氣質量的好壞采取相應的措施進行防護。逡逑Ｓｏｉｌ邋ｄｕｓｔ逡逑１６％逡逑Ｃｏａｌ邋ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋＿邐邐邋Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ逡逑＼．邐？邐／邋ｉｎｏｒｇａｎｉｃ邋ａｅｒｏｓｏｌ逡逑ｒ逡逑Ｂｉｏｍａｓｓ邋ｂｕｒｎｉｎｇ逡逑３％逡逑Ｔｒａｆｆｉｃ邋＆邋ｗａｓｔｅ邐２８％逡逑ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ邐Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ邋ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ逡逑圖１．邋２北京市ＰＭ的來源分布逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｏｕｒｃｅｓ邋ｏｆ邋ＰＭ邋ｉｎ邋Ｂｅｉｊｉｎｇ［ｎｌ逡逑由于粒徑小，表面積大，在空氣中停留時間長，運動距離遠，影響范圍大，逡逑２逡逑

這類材料的主要缺點。為了進一步滿足凈化要求，科研人員制造了許多具有更高逡逑比表面積，更小纖維直徑，更輕重量的表面改性的材料，其主要依靠表面粘附作逡逑用吸附ＰＭ，如圖１．４所示，并在實際應用中顯示出良好的性能。逡逑Ａ邐■？１１丨＿＿明＿邐Ｂ邐■0■■■■■逡逑＇Ｉ邐｜逡逑多邐拳邐Ｔ逡逑Ｔｈｉｃｋ逡逑Ｖ：．邋Ｄ逡逑ｌｙ邐W邐－－逡逑＝ｒ以等辛邐Ｍｋｒｏｓｉｚｅ逡逑Ｐｏｒｏｕｓ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ａｉｒ邋ｆｉｌｔｅｒ邐Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ邋ｆｉｂｒｏｕｓ邋ａｉｒ邋ｆｉｌｔｅｒ逡逑圖１．３傳統空氣過濾膜ＰＭ過濾

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