光触媒负载玻璃纤维织物的研究进展

拓　晓，李卫斌，赵晓明

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)



光触媒负载玻璃纤维织物的研究进展

拓晓，李卫斌，赵晓明

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)

摘要：简述了玻璃纤维织物在光催化技术中的应用优势，介绍了TiO2负载玻璃纤维织物在处理水中、大气中污染物及抗菌自清洁方面的研究应用现状，然后叙述了TiO2负载玻璃纤维织物的制备方法，最后展望了光触媒负载玻璃纤维织物的发展方向。

关键词：玻璃纤维织物光触媒应用制备

0前言

光触媒是一类半导体光催化剂，它以二氧化钛为代表，在光照下能够产生强氧化还原性的粒子。这些具有强氧化还原性的粒子不仅能够将空气和水中的有害物质彻底分解掉，一些病毒细菌类微生物也会通过氧化还原而被杀灭，最终起到净化环境，抗菌自清洁的作用。光催化反应过程利用太阳光，可在常温常压下进行，最终产物为无污染的二氧化碳和水，催化剂可反复利用，催化效率高。光催化技术已经被证实是一种非常具有发展未来的技术[1-4]。

光催化剂存在形式一般为粉末，这在应用时增加了其回收的不方便性，例如在水中应用后需要用沉淀等方法将其回收，操作复杂，成本高。而且粉末状的催化剂很容易团聚从而失去催化活性，将光催化剂固着在一定的基体上可以很好的解决这个问题。近年来许多研究者采用了多种材料作为载体，如玻璃纤维、陶瓷、铝片等[5-6]。陶瓷、铝片等硬质的材料适用范围局限，而玻璃纤维柔软易加工，用它作为载体具有很多优势[7]。一般纺织品采用的纤维例如棉、涤纶、锦纶等都是有机物构成的，目前将催化剂负载在普通纺织品上的研究已经逐步展开[8-11]。和上述纤维相比，作为无机纤维的玻璃纤维具有耐高温、耐腐蚀、高强的性能[12]，能够满足光催化剂高温加工需要，且不会被具有强氧化性的光催化剂腐蚀；其次，玻璃纤维具有较强透光性，附着在其表面的催化剂可以最大限度的利用光能；然后，玻璃纤维可纺、可织，可以针对使用场合对其进行编织，灵活的控制它的尺寸形状，满足不同需要[13]。玻璃纤维作为基体固着光催化剂的材料在各个环境领域已经得到了广泛研究和应用[14-17]。

1TiO2/GF对水中污染物的光催化降解

传统已经有一些方法被用来消除水体中的污染物质，这些方法包括活性炭吸附和絮状沉淀等。活性炭吸附的方法虽然能够有效的去除水中的污染物，但是这些污染物只是从一个地方转移到了另一个地方，并没有被彻底的氧化降解，很容易造成二次污染。絮状沉淀法的操作比较简单，但是去除污染物的效率比较低，不到79%，很难达到要求[18]。用光催材料处理污水效率高，能将污染物彻底的氧化分解，从而有效的避免这些问题。然而粉末状的光催化剂在水中使用时很容易团聚，使其比表面积变小，吸附性能和吸光特性大大减小，从而使其光催化效果大打折扣，而且每次处理水体污染物之后都要采用沉淀等方法回收催化剂，不仅工序繁杂，还会使催化剂粉末流失，浪费资源[19]。光触媒负载玻璃纤维织物的诞生有效的解决了这个问题。玻璃纤维织物的存在为光催化剂提供了附着点，能够将催化剂粒子牢牢固定住，不仅能够高效的氧化降解污染物，而且还便于催化剂的回收。固着有光催化剂的玻璃纤维在污水治理领域已得到了广泛的研究和应用[20-21]。

付正祥[22]等人用溶胶凝胶法将纳米二氧化钛固着在高硅氧玻璃纤维织物上，然后用这种织物对造纸废水进行处理。发现它对造纸废水中COD的去除率能接近100%，在经过20次的重复性试验后二氧化钛负载高硅氧玻璃纤维织物对COD的去除效果基本不变。

王西峰[23]等人用溶胶—凝胶的方法将掺铁二氧化钛负载在玻璃纤维织物上，研究其降解水中苯酚的性能。他们探究了苯酚溶液的起始浓度，氧气含量等条件对苯酚溶液催化降解效果的影响情况，结果表明在苯酚溶液的起始浓度为30mg/L，通入足量的氧气的情况下，经过两个小时，在该二氧化钛玻璃纤维的作用下苯酚的矿化率达到了83%。

刘延湘[24]等人用溶胶—凝胶法将Fe3+掺杂二氧化钛负载在玻璃纤维织物上，探究pH值，Fe3+掺入量，光源条件，O2含量对该复合织物去除CODcr的效果。结果表明在Fe3+含量1.5%，pH值6-8，空气流速0.2m3/h-1的条件下，污水中CODcr的去除效果能达到95%。

弓晓峰[25]等人用溶胶凝胶的方法制备了TiO2光催化剂，然后将其负载在玻璃纤维织物上，对其做了垃圾滤渗液的光催化降解性能研究，结果表明该TiO2负载的玻璃纤维织物对垃圾滤渗液的处理效果比较好,能达到60%。另外作者还用其他不同的材料作为载体测试对垃圾滤渗液的降解效果，结果表明玻璃纤维和玻璃管作为载体效果相当，都较好，但是玻璃纤维柔软更易于加工，应给予优先选择。

杨新宇[26]等人用溶胶凝胶法制备了TiO2负载玻璃纤维光催化材料，对甲基橙进行光催化降解性能测试，考察了溶液酸碱性，负载次数对光催化效果的影响，结果发现在酸性条件下，负载次数为六次时，该催化体系对目标物甲基橙溶液的降解效率能接近45%。

此外还有林中信[27]等人把亚甲基蓝溶液作为催化对象，做TiO2/GF光催化材料催化降解性能研究；路婧婧[28]等人用玻璃纤维网光催化材料做苯酚溶液降解研究；李云龙[29]等人以亚甲基蓝溶液为催化降解对象，做Si-TiO2/GF复合光催化材料性能研究；赵谦[30]等人以苯酚溶液为目标物，研究TiO2/GF催化材料在可见光下光催化性能的影响。

2TiO2/GF对气体类污染物的光催化降解

空气中污染物能够通过呼吸进入人体，室内装修材料释放的污染气体甲醛以及汽车尾气中的苯类、烃类等会严重威胁人体健康。甲醛作为室内主要的污染源不仅会刺激人体皮肤粘膜，而且已经被证明具有致癌的作用，室内甲醛对于人体的生命健康有潜在的巨大的危害。所以采取一定的方法治理空气中的污染物是非常必要的。传统已经有一些方法用来治理空气污染，例如催化燃烧、活性炭吸附等，这些方法会产生二次污染，不能彻底有效的解决问题。与传统的治理方法相比光催化法治理气相污染物有诸多优势，它不产生二次污染物，可在常温常压下进行，速度快，效率高。用玻璃纤维作为载体能充分发挥玻璃纤维表面积大的优势，不仅能够最大限度的利用光能，还能使光催化剂与有害气体分子充分接触，使光触媒催化剂最有效的发挥作用[31-32]。

全燮[33]等人用溶胶—凝胶法制备了SiO2-TiO2/GF和TiO2/GF复合光催化体系膜，用该催化材料对甲醛气体做降解测试。结果表明SiO2-TiO2/GF催化体系降解效率可达80%以上，比TiO2/GF催化体系高20%以上。

顾卓良[34]等人用浸渍涂布的方法制备了纳米二氧化钛负载玻璃纤维织物催化体系，用其对气态苯进行光催化降解的研究，探究了反应条件对光催化效果的影响。结果发现苯的进口浓度为350mg/m3，相对湿度为60%，氧气体积分数为20%，该催化体系对气相苯具有较好降解效果,可达到70%。

重庆大学的檀科明[35]以车内甲醛为目标物，系统研究了V5+/TiO2-SiO2复合光催化剂的光催化特性，对复合催化体系的制备条件以及影响甲醛降解的因素作了研究，证明了制备的复合催化剂体系实际应用于车内环境具有良好的效果。

李娟[36]等人制备了V5+-TiO2/GF光催化剂，以甲醛为目标进行降解测试，发现在V的加入量在3%时，V5+-TiO2/GF光催化材料对甲醛气体的催化效率可达到65%。

将光催化剂负载到玻璃纤维织物上，制成壁挂、地毯等室内及车内用品，能够使玻璃纤维和光催化剂优势互补，赋予这些纺织品净化空气的功能，具有较好的应用发展前景。

3TiO2/GF在抗菌自清洁方面的研究

光触媒在光照下可以产生强氧化性的粒子，这些粒子能杀灭与其接触的微生物，起到杀菌、除臭、防止霉变的作用。光催化反应阶段生成的活性粒子(双氧水H2O2、超氧离子O2-、过羟基·OOH和羟基·OH)能与一些生物大分子(脂类、核酸、蛋白质以及酶类)发生作用，破坏细菌病毒的结构，从而将微生物消灭。将光催化剂负载在玻璃纤维织物上，可以充分发挥玻璃纤维表面积大和易于编织加工成型的优点，使光催化剂能够在更多的场合发挥更高效的作用。

孙玉凤[37]等人用溶胶—凝胶法制备了二氧化钛光催化剂，将其负载在玻璃纤维织物上制成了二氧化钛/玻璃纤维光催化材料，他们改变工艺条件制备出不同煅烧温度、煅烧时间、浸涂次数的二氧化钛/玻璃纤维织物，测试其在光照下的杀菌效果，得出最佳的制备工艺为:烧制温度450℃，烧制时间2h，浸渍凃负次数3次。最佳条件下制备的玻璃纤维织物能够达到70.4%的杀菌率。他们还发现该二氧化钛/玻璃纤维织物在经过多次使用后杀菌自清洁效果基本无变化，说明光触媒负载玻璃纤维织物在抗菌方面具备非常好的重复使用性能。

王剑[38]等人制备了二氧化钛玻璃纤维增强水泥基复合材料，用罗丹明B作为目标降解物，研究了它的自去污性能，发现该材料具有非常好的光催化和自去污能力。

4TiO2/GF的制备方法

光催化剂和玻璃纤维织物良好的的结合不仅可以保证催化剂不易脱落，而且能使催化剂分布均匀，厚度适中，最大限度发挥光催化剂作用。目前最常见的制备途径是溶胶—凝胶法，这种方法利用光催化剂前驱体制备出溶胶，再将经过预处理的玻璃纤维织物负载上光催化剂，最后经高温烘焙等工艺制成光触媒负载的玻璃纤维织物。另外，较常用的方法是将光触媒粉末采用一定的手段分散到一定的液体手段中，再用浸轧—烘干方法制备出光触媒负载玻璃纤维织物，这种方法工艺流程短，无需经过高温步骤，然而经过这种方法加工后光催化剂颗粒易在玻璃纤维表面团聚，降低催化剂催化效果。

5结语

环境恶化愈演愈烈，大众环保意识却越来越强，此背景下，具有净化环境功能的产品必然会越来越受欢迎。光触媒负载玻璃纤维作为此类环保产品必然也具有较好发展前景,在污水治理，污染大气治理，以及抗菌方面能够发挥重要作用。然而对于光触媒方面的研究国外的起步较早，研究较多，国内对于此方面的研究尚不成熟,光触媒负载玻璃纤维织物虽具有巨大发展潜力，但距离规模工业化生产应用还有一定的距离，因此加速光触负载媒玻璃纤维织物的研究十分必要。

参考文献

[1]韩世同, 习海玲, 史瑞雪, 等. 半导体光催化研究进展与展望[J]. 化学物理学报, 2003, 16(5): 339-349.

[2]Pelaez M, Nolan NT, Pillai SC, Seery MK, Falaras P, Kontos AG, Dunlop PSM, Hamilton JWJ, Byrne JA, O'Shea K. A review on the visible light active titanium dioxide photocatalysts for environmental applications[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2012, 125: 331-349.

[3]Banerjee S， Dionysiou DD， Pillai SC. Self-cleaning applications of TiO2by photo-induced hydrophilicity andphotocatalysis[J]. Applied Catalysis B-Environmental, 2015, 176: 396-428.

[4]Verbruggen SW. TiO2Photocatalysis for the degradation of pollutants in gas phase: From morphological design to plasmonic enhancement[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology C-Photochemistry Reviews, 2015, 24: 64-82.

[5]何秀兰, 郭英奎, 王春艳, 等. 多孔陶瓷负载TiO2光催化降解甲基橙溶液的研究[J]. 人工晶体学报, 2015(2): 503-508.

[6]Jo WK, Kang HJ. Aluminum sheet-based S-doped TiO2for photocatalytic decomposition oftoxic organic vapors[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2014, 35(07): 1189-1195.

[7]王惟峰, 赵谦, 汪辉, 等. 光催化型玻璃纤维织物的研制与应用[J]. 玻璃纤维, 2003(6): 17-20.

[8]胡海霞, 李建华. 光催化自清洁整理剂制备及在涤棉织物上的应用[J]. 丝绸, 2014, 51(6): 26-30+36.

[9]周宏湘. 光催化在纤维上的应用[J]. 丝绸, 1999(2): 52.

[10]张锡均, 汪进前, 盖燕芳, 等. 掺杂Fe3+的TiO2水溶胶制备及其用于涤纶织物功能整理[J]. 丝绸, 2015, 52(4): 5-8.

[11]肖红艳, 陈衍夏, 施亦东, 等. 纳米TiO2溶胶的制备及其对丝绸织物整理研究[J]. 丝绸, 2008(3): 22-25.

[12]赵家琪, 赵晓明, 李锦芳, 等. 玻璃纤维的应用与发展[J]. 成都纺织高等专科学校学报,2015, 32(3): 41-46.

[13]张振方, 万明. 玻璃纤维可编织性评价[J]. 成都纺织高等专科学校学报, 2015, 32(3): 58-61.

[14]汤心虎, 韦朝海, 原炜明, 等. 玻璃纤维负载P25光催化接触氧化活性艳红X-3B[J]. 环境科学, 2005, 26(5): 124-127.

[15]陈士夫, 赵梦月, 陶跃式, 等. 玻璃纤维附载TiO2光催化降解有机磷农药[J]. 环境科学, 1996, 17(4): 33-35+92.

[16]胡安正, 唐超群. 玻璃纤维支撑TiO2对有机污染物的光催化降解[J]. 材料开发与应用, 2003, 18(4): 36-37+41.

[17]廖家耀, 李光林. 光催化活性纳米TiO2的固定与催化降解甲基橙研究[J]. 西南农业大学学报：自然科学版, 2006, 28(1): 111-114.

[18]杨开吉, 苏文强, 沈静. 光催化技术用于造纸废水处理[J]. 纸和造纸, 2007. 26(6): 87-90.

[19]付正祥, 岳文喜, 徐建春, 等. 负载光触媒处理造纸中段废水的研究[J]. 纸和造纸, 2013, 32(7): 47-49.

[20]詹天珍, 李秀军, 杨玉飞. 纳米二氧化硅/二氧化钛/玻璃纤维膜制备及其光催化活性研究[J]. 杭州化工, 2005, 35(4): 1-5.

[21]陈卫, 王嫚, 刘成, 等. UV/固定化TiO2对太湖源水中藻类胞内有机物的去除效能[J]. 重庆大学学报, 2013, 36(3): 114-120.

[22]付正祥, 孙智, 段琼, 等. 高硅氧玻纤布负载光触媒处理造纸废水的研究[J]. 2014, 33(10): 66-68.

[23]王西峰, 彭党聪, 胡晓莲. 02对铁掺杂玻璃纤维负载Ti02光催化降解苯酚的影响[J]. 应用化工, 2012, 41(1): 49-55

[24]刘延湘, 涂平, 刘军. 负载型Ti02: Fe3+处理有机污染水[J]. 湖北化工, 2002(1)：14-15.

[25]弓晓峰, 简敏菲, 刘春英, 等. 玻璃纤维布负载TiO2膜光催化氧化垃圾渗滤液[J]. 重庆环境科学, 2003, 25(11)：56-57.

[26]杨新宇, 郑治祥, 汤文明, 等. 玻璃纤维布负载TiO2光催化剂及其催化性能[J]. 理化检验(物理分册), 2007, 43(6): 275-278.

[27]林中信, 万隆, 张世英, 等. 玻璃纤维负载纳米TiO2的制备及光催化性能[J]. 硅酸盐通报, 2011, 30(1): 136-139+146.

[28]路婧婧, 林少华. 玻璃纤维网负载TiO2薄膜制备优化与表征[J]. 工业水处理, 2014, 34(2): 37-40.

[29]李云龙, 林中信, 张世英, 等. 具有可见光活性Si掺杂TiO2负载玻璃纤维的制备与表征[J]. 材料导报, 2011, 25(22): 16-19+28.

[30]赵谦, 黄欣, 汪辉. 光催化型玻纤制品的甲基橙降解研究[J]. 硅酸盐通报, 2004(6): 56-58+77.

[31]Pham TD, Lee BK. Feasibility of silver doped TiO2glass fiber photocatalyst under visible irradiation as an indoor air germicide[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2014, 11(3): 3271-3288.

[32]Ao CH, Lee SC, Yu JC. Photocatalyst TiO2supported on glass fiber or indoor air purification: effect of NO on the photodegradation of CO and NO2[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A-Chemistry, 2003, 156(1-3): 171-177.

[33]全燮, 詹天珍, 回滨, 等. Ti02-SiO2-GF复合光催化剂对甲醛光催化降解研究[J]. 大连理工大学学报, 2005, 45(4): 522-526.

[34]顾卓良, 赵伟荣, 王海强, 等. 玻纤负载纳米TiO2光催化降解气相苯[J]. 江南大学学报：自然科学版, 2008, 7(2): 239-243.

[35]檀科明. 负载型复合光催化剂的制备及降解车内甲醛的实验研究[D]. 2012. 5

[36]李娟, 檀科明, 陈勇志, 等. V5+/TiO2-SiO2-GF复合光催化剂制备及降解甲醛的研究[J]. 环境科学与技术, 2012, 35(12): 82-86.

[37]孙玉凤, 郝清伟, 刘营营, 等. 玻璃纤维负载TiO2的光催化杀菌作用[J]. 沈阳理工大学学报, 2005, 24(2): 88-90.

[38]王剑, 方寅生, 熊吉如, 等. TiO2中性水溶胶的制备及其在玻璃纤维增强水泥基材料表面的光催化自洁性能研究[J]. 材料导报, 2015, 29(4): 10-13.

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1008-5580(2016)01-0028-04

通讯作者：赵晓明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生导师，研究方向：纺织材料与纺织品设计。

基金项目：国家自然科学基金项目(51206122)

收稿日期：2015-10-27

第一作者：拓晓(1989-)，女，硕士，研究方向：光催化玻璃纤维织物。