Removal of methylene blue by Fenton-like system with alkali-activated montmorillonite supported iron catalyst
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摘要: 类芬顿技术是去除水中难降解有机污染物最有应用前景的处理技术之一，构建高效稳定的类芬顿催化剂是其研究的关键。本文采用5 mol/L NaOH溶液在不同温度对Ca-蒙脱土(MMT)进行活化改性，制备了一系列具有不同结构和酸性的碱活化蒙脱土(Alk-MMT)，并将Alk-MMT负载铁催化剂(Fe/Alk-MMT)与H2O2组成类芬顿体系用于去除亚甲基蓝(MB)。对所制备的材料进行了XRD、NH3-程序升温脱附(TPD)、XPS、SEM、FTIR、N2吸附-脱附等表征分析。结果表明：与Ca-MMT相比，Alk-MMT的结构和酸性均发生了明显的变化，且变化的程度与碱处理温度密切相关。Alk-MMT结构和酸性的变化明显影响类芬顿体系去除MB的性能。其中以Fe/Alk-MMT-100为催化剂的类芬顿体系在反应温度为50℃，催化剂和H2O2用量分别为1.25 g/L和0.85 mmol/L，在较宽的pH范围(3.0~9.0)反应300 min后MB的去除效率均可达98.7%以上，且表现出较好的稳定性，重复使用6次后，活性未下降。Abstract: Fenton-like technology is one of the most promising water treatment technologies to remove refractory organic pollutants, and it is the key to construction Fenton-like catalysts with high activity and stability. In this work, a series of alkali-activated montmorillonite (Alk-MMT) with different structure and acidity were prepared via Ca-MMT treated with 5 mol/L NaOH solution at different treatment temperature. Fenton-like system composed with Alk-MMT supported iron catalyst (Fe/Alk-MMT) and H2O2 was used to remove methylene blue (MB). The material was systematically characterized by XRD, NH3-Temperature programmed desorption (TPD), XPS, SEM, FTIR, and N2 adsorption-desorption at low temperature techniques. The results show that the structure and acidity of Alk-MMT are significantly changed compared with Ca-MMT, which is dependent on the alkali treatment temperature. The structure and acidity of Alk-MMT obviously affect the removal performance of MB in Fenton-like system. The Fenton-like system using Fe/Alk-MMT-100 as catalyst exhibits higher removal efficiency of MB (> 98.7%) under the condition of 50℃, the catalyst dosage of 1.25 g/L, the H2O2 concentration of 0.85 mmol/L, and a wide pH (3.0-9.0) range for reacting 300 min. Meanwhile, the activity of the catalyst does not decrease after repeated use for 6 times, which exhibiting a good stability.
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Keywords:
- Fenton-like /
- alkali-activated montmorillonite /
- methylene blue /
- removal efficiency /
- stability
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由于对水优异的排斥性能，超疏水表面在自清洁[1]、防覆冰[2]、油水分离[3]、防腐[4]等领域具有广阔的应用前景。制备超疏水表面需要两大要素：(1) 表面具有微纳米粗糙结构；(2) 二是具有低的表面能[5]。而在实际应用过程中，超疏水表面不可避免地会受到外界机械损伤或污染，从而破坏表面的微纳米结构或表面受污染而使表面能升高，最终导致超疏水特性下降或丧失。因此如何提高超疏水表面的力学和化学稳定性[6-7]，成为超疏水技术实现大规模应用的关键[8]。
目前关于强化超疏水表面机械和化学稳定性的研究主要集中在三个方面：(1) 将树脂作为疏水性纳米颗粒与基底之间的粘结剂，Lu等[9]首次提出“超疏水表面+粘结剂+基底”的概念，先用商业化粘结剂作为底漆，再将全氟硅烷低表面能改性后的纳米TiO2喷涂在粘结剂上，提高超疏水颗粒的耐磨性。超疏水表面在100 g负载条件下，240#砂纸循环40周磨损后，表面接触角仍能稳定在160°以上。Wu等[10]采用类似思路，将全氟硅烷改性的环氧树脂作为底漆进行预固化处理，再将氟化环氧树脂/纳米Al2O3喷涂到底漆表面，获得具有良好机械稳定性的超疏水表面。磨损实验表明，在预固化20 min时，纳米Al2O3既能保证与基底有效结合又能构筑微纳米粗糙表面，在磨损120周次后仍能保持超疏水特性；(2) 利用硬质材料对脆弱的纳米结构进行保护。Wang等[11]提出铠装超疏水表面的概念，将脆弱的纳米结构填充到相互连接的耐磨微米级结构之间，结果表明铠装超疏水涂层具有优异的机械稳定性，在商业应用方面具有巨大的潜力。Li等[12]在脆弱的微纳米结构表面浸渍涂敷一层磷酸二氢铝(ADP)，并进行热处理。ADP可以作为保护铜纳米结构的铠甲，即使在长时间高温和沙子冲击试验后，其超疏水特性基本维持稳定；(3) 对受损的微纳米结构和低表面能物质进行自修复。Qian等[13]从微纳米结构的自修复入手，用平整的荷叶做模板，以双酚A-二缩水甘油醚作为基体，Jeffamine D230和n-癸胺为固化剂，得到形状记忆聚合物(SMP)。结果表明，在磨损或划伤条件下，SMP在60℃下加热20 min即可恢复原有的微纳米形貌，恢复超疏水性能。Wang等[14]则是聚焦低表面能物质的自修复，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)在荷叶表面制备倒模，将PDMS/石蜡共混浇铸后获得超疏水表面。由于石蜡的低沸点和PDMS的三维网络，石蜡可在室温下快速迁移至表面，恢复表面的低表面能状态和超疏水特性。Jiang等[15]采用微弧氧化与氟化硅油实现合金表面的超疏水涂层的高耐蚀性和损伤快速修复。
除了上述三种策略外，近年来提出了一种三维超疏水涂层概念，这种涂层不仅表面呈现超疏水，当表面微纳米结构或低表面能物质被破坏后，暴露出的新表面仍能自动形成超疏水性，即材料本体能对受损微纳米结构和低表面能物质进行自我修复，大大延长了超疏水涂层的服役寿命[16-18]。Liu等[19]用PDMS和环氧丙烯酸酯作为基底，用硅烷偶联剂连接基体树脂和纳米SiO2，在紫外光照下共聚得到三维超疏水涂层，在经过较长时间磨损后其表面形貌及低表面能物质成分基本不变，仍能维持超疏水性。
制备超疏水表面往往需要氟硅烷进行低表面能改性，而氟硅烷成本高，环境不友好，因此发展无氟低表面能涂层甚至无需低表面能涂层的超疏水表面引起了学者的广泛关注[20]。聚苯并噁嗪(PBA)是一种含氮杂环酚醛的热固型树脂，具有吸水率低、抗磨损、耐高温、阻燃等诸多特性。PBA单体开环聚合后产生的活泼酚羟基可与其分子内的氮原子形成分子内氢键，从而大大降低膜层表面能，最低可达15.1 mJ/m2[21]。因此将本征低表面能的PBA树脂作为基体，即使其表面不涂低表面能物质，仅靠添加微纳米颗粒来构筑粗糙表面就可以得到三维超疏水结构。尽管有这些优势，有关PBA涂层的研究还是相对较少[22]，对其摩擦磨损机制研究也不够深入。
本文以PBA树脂为基底，添加微米级ZrO2和纳米级Al2O3作为填料构筑粗糙结构，无需涂覆低表面能氟化物，制备了一种三维超疏水涂层。通过对填料质量比及ZrO2-Al2O3的配比进行优化，获得了最佳的填料添加量及微纳米颗粒配比。在此基础上，根据三维超疏水涂层的质量损失与摩擦负荷之间的关系构建了一个简单数学模型，用于预测涂层在模拟工况条件下的使用寿命。此外还分别研究了三维超疏水涂层在高温、酸碱、UV光照条件下的化学稳定性和耐蚀性，并考察了超疏水涂层的抗蚀能力，以期为三维超疏水涂层的工程应用提供理论依据。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
双酚A苯并噁嗪单体(Bisphenol A benzoxazine，BA)，平均粒径为180 μm，购自成都科宜高分子公司；微米级ZrO2，纯度为99.9%，平均粒径1 μm，购自上海肴戈合金材料公司；纳米Al2O3，纯度为99.9%，γ相，平均粒径20 nm，购自阿拉丁试剂公司；无水乙醇，丙酮，分析纯，均购自国药集团化学试剂公司；去离子水，实验室自制。
1.2 三维超疏水涂层制备
先将1 g BA加入到20 mL丙酮溶剂中，常温搅拌0.5 h，然后依次加入适量ZrO2和Al2O3，先超声搅拌0.5 h，再在40℃下磁力搅拌6 h，最后超声搅拌0.5 h，得到乳白色混合悬浮液。用180#SiC砂纸打磨碳钢金属片，除去金属片表面氧化层和油污，接着用乙醇超声5 min后吹干，放入60℃鼓风干燥箱中进行30 min预热。将得到的混合悬浮液刷涂到预热后的碳钢表面，并在鼓风干燥箱中60℃干燥1 h，再放入马弗炉内进行100℃、140℃、160℃、180℃、200℃和220℃各1 h的梯度升温固化，固化完成后将试样炉冷至室温取出，用涂层测厚仪(Elcometer415)测量其涂层厚度。表1为不同填料质量比及配比的涂层试样及其简称。
表 1 不同填料添加量及配比的Al2O3- ZrO2/聚苯并噁嗪(PBA)复合涂层配方及简称Table 1. Al2O3- ZrO2/poly-benzoxazine (PBA) composite coatings with different filler contents and filler mass ratios and corresponding abbreviations of coatingsAbbreviation BA/g Al2O3/g ZrO2/g Filler content/% Coating thickness/μm PBA 1 0 0 0 280±10 1Al2O3-1ZrO2/15PBA 1 0.09 0.09 15 280±10 1Al2O3-1ZrO2/30PBA 1 0.3 0.3 30 280±10 1Al2O3-1ZrO2/50PBA 1 0.5 0.5 50 280±10 1Al2O3-1ZrO2/55PBA 1 0.6 0.6 55 280±10 1Al2O3-2ZrO2/50PBA 1 0.33 0.67 50 280±10 2Al2O3-1ZrO2/50PBA 1 0.67 0.33 50 280±10 Note: BA—Bisphenol A benzoxazine. 1.3 性能测试与表征
接触角测试：采用光学接触角测试仪(JC2000DM，上海中晨数字技术公司)记录不同涂层表面的浸润性，将约3 μL去离子水滴到涂层表面，待液滴稳定1 min后开始拍照记录，测量液滴在涂层表面的接触角，随机取5个点重复测量，最终结果取平均值。
形貌表征：采用SEM (Nova Nano SEM 450，美国赛默飞) 在5000倍下观察不同涂层形貌，并用EDS面扫描表征涂层中的元素分布；采用超景深体式显微镜(VHX-5000，日本基恩士)在放大1000倍下观察磨损前后表面三维变化，记录涂层表面的粗糙度。
摩擦实验：向直径15 mm的圆形涂层试样分别施加2.83 kPa、5.66 kPa、11.32 kPa载荷，分别对应砝码质量为50 g、100 g、200 g，在320#砂纸表面每直线摩擦10 cm后开始涂层表面接触角测量。涂层试样摩擦后用吹风机吹去表面浮屑，再用电子分析天平(精度0.1 mg)称量涂层质量，并用涂层测厚仪测量摩擦后的涂层厚度，并根据摩擦前后涂层试样质量差计算涂层质量损失。实验采用磨擦磨损试验仪(MS-ECT3000，兰州华汇仪器公司)在100 g载荷和转速50 r/min条件下，分别测试干燥环境和去离子水中涂层的摩擦系数，测试时间为600 s，摩擦副为SiC。
化学稳定性测试：用HCl溶液和NaOH溶液与去离子水分别配制不同pH值的溶液，测试这些溶液在涂层表面的接触角。将涂层试样放入马弗炉中，以40℃为区间，从100℃升温到300℃均保温1 h后测试涂层的接触角。用紫外汞灯(250 W、365 nm)照射样品，测试涂层的抗紫外性能，涂层表面与UV灯距离为5 cm，每10 min测一次接触角，共6次。
耐蚀性测试：用电化学工作站(CS350H，武汉科思特)来评价1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层的防腐性能。对碳钢基体和涂层在相对于开路电位±0.5 V范围内进行动电位扫描，扫描速度为0.5 mV/s。对不同时间中性盐雾(5wt% NaCl、35℃)测试后的涂层试样进行电化学阻抗谱(EIS)测量, 扫频范围为105~10−2 Hz，振幅为10 mV。以工作面积为1 cm2的涂层试样做工作电极，饱和甘汞电极(SCE)用作参比电极，Pt片电极作为辅助电极，在3.5wt%NaCl溶液中测试。用PosiTestAT附着力测试仪(DeFelsko，美国)测量盐雾前后涂层的附着力。
2. 结果与讨论
2.1 填料添加量及配比对Al2O3-ZrO2/PBA涂层超疏水性的影响
超疏水涂层中微纳米填料添加量直接影响超疏水效果[23]，图1为在填料质量比Al2O3∶ZrO2=1∶1条件下，不同填料添加量下复合涂层的表面接触角。可知，接触角随填料添加量的增加先增后减。PBA的接触角为91°，在添加15%的Al2O3-ZrO2复合填料后，接触角变化不大；当填料添加量为30%时，接触角快速升到128°；当添加量为50%时，涂层接触角为154°，达到超疏水效果；当继续增加填料量到55%，涂层接触角降低到136°。这可能是当微纳米填料添加量<50%时，涂层表面的填料不足以构筑微纳米分级结构，难以产生足够的气穴而获得超疏水效果；而当填料质量比>50%时，涂层表面的填料过多，容易产生填料团聚，导致气穴减少，且有限的PBA树脂基料无法为过多的微纳米填料提供低表面能，导致涂层疏水性降低。
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图 1 质量比Al2O3∶ZrO2质量比为1∶1条件下不同填料添加量对Al2O3-ZrO2/PBA复合涂层的接触角Figure 1. Contact angles of Al2O3-ZrO2/PBA composite coatings with different filler contents at mass ratio Al2O3∶ZrO2=1∶1在填料添加量为50%时，进一步考察了填料中Al2O3-ZrO2质量比对涂层接触角的影响。图2为不同Al2O3/ZrO2质量比的涂层表面微观形貌及接触角，并给出了涂层表面的元素组成及分布。可知，纯PBA表面光滑平整，局部出现凹坑但未形成孔洞缺陷；当Al2O3∶ZrO2质量比为1∶2时，用高倍SEM观察表面时，由于涂层导电性差，出现局部放电现象，但仍可以清晰看出表面有微米级块状颗粒堆积；当Al2O3∶ZrO2质量比为2∶1时，表面以纳米级颗粒为主，少量微米级块状颗粒；当Al2O3∶ZrO2质量比降为1∶1时，表面以微米级和纳米级颗粒弥散分布为主。将图2(d)放大20000倍观察，见图2(e)，可见微米颗粒间出现大量纳米颗粒，组成了典型的微纳米分级结构。通过对该区域进行元素面扫描，如图2(e)~2(i)所示，可见主要存在Zr、Al、O、N等，且Al元素分布最弥散，这与Al2O3颗粒的纳米尺寸有关，N元素则来自于PBA，说明Al2O3-ZrO2微纳米填料与PBA已形成有效掺杂。根据表面微纳米结构与宏观的疏水性之间的构-效关系可知，当Al2O3∶ZrO2质量比为1∶2时，微米级的块状颗粒形成的气穴较少，接触角在三者中最小；而当Al2O3∶ZrO2质量比为2∶1时，接触角达到147°，接近超疏水状态，但过多的纳米颗粒导致形成的气穴不稳定而限制了其疏水性；而当Al2O3∶ZrO2质量比为1∶1时，表面形成微纳米分级结构，进而形成较多稳定的气穴[24]，使接触角达到154°，宏观上表现出超疏水性。
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图 2 填料含量为50%、不同Al2O3/ZrO2质量比时Al2O3-ZrO2/PBA复合涂层的微观形貌、元素分布和接触角变化Figure 2. Micromorphologies, element distributions and contact angle of Al2O3-ZrO2/PBA composite coatings with different mass ratios of Al2O3/ZrO2 at 50% filler content2.2 三维超疏水Al2O3-ZrO2/PBA涂层的摩擦磨损性能
摩擦系数是摩擦学研究中重要的物理量，与接触表面的粗糙度有关，而与接触面积无关。图3为不同填料添加量复合涂层的摩擦系数随时间的变化曲线，进一步对比了1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层在干燥和去离子水中的摩擦系数，并对原始曲线进行同参数Savitzky-Golay平滑去噪(见粗实线)。可知，各涂层摩擦系数均存在上升和稳定两个阶段，且填料质量分数越高，涂层摩擦系数越大。对于PBA涂层，摩擦系数在摩擦105 s后稳定在0.43；而1Al2O3-1ZrO2/15PBA涂层在摩擦60 s后开始稳定，最终稳定在0.58；对于1Al2O3-1ZrO2/30PBA涂层，摩擦系数快速上升，在30 s后稳定在0.65；1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层摩擦系数的变化较为特殊，先在30 s快速上升至峰值0.82，后缓慢下降，最终摩擦系数稳定在0.72，而在去离子水中进行测试时，1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层摩擦系数的变化趋势与1Al2O3-1ZrO2/30PBA涂层类似，且噪声振幅更低，最终摩擦系数稳定在0.64。为了定性表征涂层表面的粗糙度，用体式显微镜测量涂层表面的高度差，高度差越大则表面越粗糙，结果如表2所示，可见随着填料质量比增加，表面高度差也随之增大。PBA的表面高度差为1.08 μm，与图2(a)结果吻合；当填料添加量为50%时，1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层的高度差值达到69.61 μm。据此可知PBA表面光滑平整，摩擦阻力较小，因而摩擦系数最小。随着Al2O3/ZrO2微纳米硬质填料含量增加，表面粗糙度随之增加，剥离的硬质颗粒能够粘附到摩擦副表面，抑制了摩擦转移膜的滑动，从而增大了摩擦系数。对于1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层，表面裸露出大量的微纳米硬质颗粒，初期摩擦阻力最大，短时间内达到峰值，而后硬质颗粒被逐渐磨平，粗糙度逐渐降低，摩擦系数也随之缓慢下降并最终稳定[25]；而当在水中进行摩擦测试时，涂层表面与摩擦副之间形成水膜，减少了两者之间的实际接触面积且可以起到润滑作用[26]，因此与干燥摩擦条件相比，1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层在水中的摩擦系数降低。
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图 3 Al2O3∶ZrO2质量比为1∶1时不同填料添加量对Al2O3-ZrO2/PBA复合涂层摩擦系数的影响Figure 3. Friction coefficients of Al2O3-ZrO2/PBA composite coatings with different filler contents at mass ratio Al2O3∶ZrO2=1∶1表 2 Al2O3∶ZrO2质量比为1∶1时不同填料添加量Al2O3-ZrO2/PBA复合涂层表面的高度差Table 2. Height differences of Al2O3-ZrO2/PBA composite coatings with different filler contents at mass ratio Al2O3∶ZrO2=1∶1PBA 1Al2O3-
1ZrO2/
15PBA1Al2O3-
1ZrO2/
30PBA1Al2O3-
1ZrO2/
50PBAHeight difference
of coating
surface/μm1.08±0.3 3.71±1.1 31.68±1.2 69.61±0.8 Note: Height difference—Value between the highest and the lowest points of coating surface. 由2.1节结果可知，1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层表现出超疏水特性。因此后续主要针对1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层进行砂纸摩擦测试，图4(a)为经过不同摩擦距离后涂层表面接触角的变化，可见在整个摩擦过程中接触角先下降后水平波动，但涂层表面接触角均超过150°，滚动角小于7°，呈现出良好的超疏水状态。摩擦180 cm后的试样宏观形貌可看出明显划痕，相较于原始涂层更平整。为了定性描述水滴在涂层表面的黏附力大小，用接触角测量仪记录了水滴在经过180 cm摩擦后的涂层表面先接触后分离的动态过程，可以看到测试针头将水滴下压到涂层表面后再上升针头，水滴随针头一起上升并发生轻微拉伸变形，直到完全脱离涂层表面，说明在经过180 cm的摩擦后，涂层表面对液滴的黏附力依旧很小，表现出良好的Cassie状态[27]，与滚动角结果相吻合。表3为经不同摩擦距离后的涂层剩余厚度值，可见在摩擦过程中涂层厚度从初始值280 μm逐步减薄至32 μm。结合图4(a)可知，涂层不仅表面表现出超疏水特性，表面磨损后暴露出的本体依旧维持超疏水性，表明1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层整体上表现出三维连续的超疏水特性。这是由于涂层表面的Al2O3/ZrO2微纳米结构和低表面能的PBA的协同作用，可以有效捕捉和储存空气，抑制水滴与涂层表面的直接接触和水分渗入。
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图 4 1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层接触角随摩擦距离的变化及在180 cm摩擦走长后水滴在涂层表面的附着力测试过程Figure 4. Contact angle evolution of 1Al2O3-1ZrO2/50PBA coating versus friction distance and the process of water droplet adhesive force test after suffering 180 cm friction distance表 3 1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层厚度在不同摩擦走长后的涂层剩余厚度Table 3. Thickness of 1Al2O3-1ZrO2/50PBA coating after suffering different friction distanceFriction distance/cm 0 60 120 180 Coating thickness/μm 280±10 202±10 126±10 32±10 为了进一步探究不同载荷下1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层的质量损失，分别向涂层试样施加2.83 kPa、5.66 kPa、11.32 kPa载荷后进行摩擦测试，图5为不同载荷下涂层的质量损失M与载荷和摩擦距离之间的关系。可见在固定载荷下，随着摩擦距离的增加，质量损失呈线性增加；而在相同摩擦距离下，载荷越大，涂层质量损失量加速增大。为此可采用指数方程描述了涂层质量损失与载荷和摩擦距离的关系，如下式：
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图 5 1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层质量损失在不同载荷下随摩擦距离的变化及线性拟合结果Figure 5. Mass loss rate change of 1Al2O3-1ZrO2/50PBA coating versus friction distance and linear fitting resultsF2.83 kPa, F5.66 kPa, F11.32 kPa—Mass loss of 1Al2O3-1ZrO2/50PBA after friction under 2.83 kPa, 5.66 kPa, 11.32 kPa pressure, respectivelyM=(Ae−PL/T+R)×D (1) 其中：M为涂层质量损失(mg)；A为指前因子；PL为载荷(kPa)；D为摩擦距离(cm)；T、R为系数。
图5显示不同载荷Pi下涂层质量损失M与摩擦距离D之间具有较好的线性相关性。由指数拟合结果可知式(1)中的A=0.126，T=−5.80，R=0.18，即在相同摩擦距离下，随着载荷增加，磨损量呈缓慢的指数增加。根据涂层质量损失与载荷和摩擦距离的关系式，可以对三维超疏水涂层在不同载荷下的磨损寿命进行简单预测，作为耐磨涂层施工的工程参考。
图6为1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层表面的原始和在不同载荷下摩擦180 cm后的三维形貌。可见摩擦前涂层表面的高度差达到70.76 μm，粗糙度较大，摩擦后涂层表面的高度差明显降低。对于载荷为2.83 kPa和5.66 kPa的摩擦表面，两者的高度差接近，均在32 μm左右，而载荷为11.32 kPa摩擦后的表面，高度差下降到22.84 μm，说明载荷越大磨损后涂层磨损越平整，这与式(1)的描述基本一致。
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图 6 1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层初始和在不同载荷下摩擦180 cm后的表面三维形貌Figure 6. 3D morphologies of original 1Al2O3-1ZrO2/50PBA coating and suffering 180 cm long friction under different loads2.3 三维超疏水Al2O3-ZrO2/PBA涂层的环境稳定性
由2.2节可知1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层具备可自修复的超疏水特性，但超疏水涂层的环境稳定性是保证其长效服役的关键。为此，首先观察了1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层在不同温度下保温1 h后的表面接触角，结果如图7所示。在100~300℃整个温度区间内，涂层接触角均在150°以上，说明1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层具有良好的耐热性。这是由于PBA的热稳定性高(分解温度>300℃)[28]，而Al2O3-ZrO2填料是陶瓷材料，熔点均在2 000℃以上。
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图 7 1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层表面接触角随温度的变化Figure 7. Contact angle change of 1Al2O3-1ZrO2/50PBA coating versus temperature图8为PBA超疏水涂层的酸碱耐受性，随着液滴pH值从1~13的变化，液滴在涂层表面的接触角呈先增大后减小的趋势。在强酸条件下(pH=1)，液滴接触角为144°；在中性条件下(pH=7)，液滴接触角为154°；在强碱性条件下(pH=13)，液滴接触角为141°。原因是Al2O3是一种典型的两性氧化物，在强酸和强碱性条件下，Al2O3纳米填料发生轻微溶解，尤其是纳米Al2O3颗粒，其比表面积大，更易被强酸溶液腐蚀，使涂层表面微气垫受损，宏观上表现出涂层疏水性降低。
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图 8 1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层表面接触角随液滴pH值的变化Figure 8. Contact angle change of 1Al2O3-1ZrO2/50PBA coating versus pH value of droplet1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层的耐紫外辐射性能测试结果见图9，随着UV光照时间的延长，涂层表面的接触角不断降低，从初始的153°，到UV光照30 min后的142°，辐照1 h后接触角仍在140°以上，说明涂层具有一定的耐紫外能力。在60 min UV辐照结束后，将涂层放在320#砂纸上，于5.66 kPa载荷下摩擦移动10 cm，可以看到接触角又重新上升到151°表明该三维涂层具有较好的自修复能力。由于PBA在UV照射下会发生分子内氢键的断裂，生成分子间的苯醌结构，使表面能上升，导致涂层的表面接触角减小[29]。但UV光对涂层表面的微纳米结构破坏较小，在较短时间内依旧可以保持良好的疏水性能。涂层打磨后，表面损伤层被去除，裸露出新鲜涂层依旧可以保持超疏水性，从而实现了超疏水性的快速修复，这无疑会延长三维超疏水涂层的使用寿命。
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图 9 1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层表面接触角随UV辐照时间的变化及自修复展示Figure 9. Contact angle change of 1Al2O3-1ZrO2/50PBA coating versus UV irradiation time and friction healing2.4 三维超疏水Al2O3-ZrO2/PBA涂层的耐蚀性能
作为防腐蚀涂层，1Al2O3-1ZrO2/50PBA的抗蚀性十分重要。图10为表面有超疏水涂层的碳钢电极在3.5% NaCl溶液中的极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)，其中图10(a)中的极化曲线采用Tafel拟合。计算表明：裸碳钢电极的自腐蚀电位Ecorr为−0.624 V，腐蚀电流Icorr为80.54 µA·cm−2；表面喷涂层后其Ecorr升至−0.385 V，Icorr降至0.398 µA·cm−2。可见涂层电极的自腐蚀电位显著正移，且腐蚀电流密度下降200倍左右，说明涂层能为碳钢基体提供良好保护。图10(b)为不同盐雾时间后涂层的EIS，其中EIS中的低频阻抗|Z|0.01 Hz可用于评价涂层的屏蔽能力[30]。盐雾试验前，裸钢基体在盐溶液中的|Z|0.01 Hz为134 Ω·cm2，而涂层的|Z|0.01 Hz为1.18×106 Ω·cm2，表明涂层将碳钢的耐蚀性提升了4个数量级。
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图 10 裸钢和1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层电极在3.5wt% NaCl 溶液中的极化曲线和电化学阻抗(不同盐雾时间)Figure 10. Polarization curves of bare and 1Al2O3-1ZrO2/50PBA coated steel electrodes and EIS of coated electrode (enduring salt praying test) in 3.5wt% NaCl solution after salt spray testsEcorr—Corrosion potential; Icorr—Corrosion current经过72 h盐雾试验后，涂层的|Z|0.01 Hz降至6.47×104 Ω·cm2。盐雾试验前，三维超疏水涂层表面完整，微结构中储存的空气垫可有效抑制H2O、Cl−、O2等腐蚀介质渗入，因而表现出良好耐蚀性[31]。盐雾72 h后，盐水逐步取代微纳结构中的空气层，降低了涂层耐蚀性。此外，1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层中的填料质量比达到50%，填料难以被树脂完全包裹[32]，易形成孔洞缺陷，如图10(b)中涂层试样宏观形貌所示。正是通过这些缺陷，腐蚀介质可突破空气垫和超疏水涂层本体到达碳钢基体，而基体的腐蚀进一步弱化了涂层与基体的结合力。如图11所示，72 h盐雾试验使涂层附着力从3.93 MPa下降到3.28 MPa，这就限制了超疏水涂层的耐蚀性提升。可见三维超疏水涂层尽管具有很好的超疏水自修复能力和一定的防腐蚀效果，但由于在强腐蚀性介质中空气垫不稳定，抗蚀能力不够，后续还需进一步优化涂层的填料组成，或通过梯度层设计，采用高耐蚀性底漆+超疏水自修复面漆协同来提高其耐蚀性和超疏水性。
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图 11 盐雾试验前后1Al2O3-1ZrO2/50PBA超疏水涂层的附着力Figure 11. Bonding strength of 1Al2O3-1ZrO2/50PBA coating on mild steel before and after salt spray test3. 结论
(1) 通过优化Al2O3-ZrO2微纳米填料在聚苯并噁嗪(PBA)树脂中的质量比及两者的配比，尤其当Al2O3∶ZrO2∶PBA质量比为1∶1∶2时，制得了一种三维超疏水耐磨涂层1Al2O3-1ZrO2/50PBA，其水接触角达到154°，并具有良好的超疏水自修复能力。1Al2O3-1ZrO2/50BA涂层在100~300℃温度区间内均表现出超疏水性，在pH值=1~13范围内，涂层表面接触角均在140°以上，表现出良好的化学稳定性；在UV光照60 min后，尽管接触角初期有所下降，但一直维持为142°，表明该涂层具有良好的环境稳定性。
(2) 1Al2O3-1ZrO2/50PBA三维超疏水涂层具有较好的抗磨性，即使由于环境降解导致疏水性下降，但通过服役过程中的主动或被动磨损，该涂层可以快速修复表面的微纳米结构，恢复超疏水性。与裸碳钢电极相比，1Al2O3-1ZrO2/50PBA涂层保护的碳钢电极自腐蚀电流下降两个数量级，屏蔽性能提高4个数量级，表明该涂层对碳钢有一定的防腐效果。但由于在强腐蚀性介质中空气垫不稳定，其耐蚀性还需进一步通过优化涂层填料组成来改善，或采用高耐蚀性底漆+超疏水自修复面漆协同来提高其耐蚀性和超疏水性。
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图 1 Ca-蒙脱土(MMT)和Alk-MMT的XRD图谱
Figure 1. XRD patterns of Ca-montmorillonite (MMT) and Alk-MMT
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图 3 Fe/Ca-MMT、Fe/Alk-MMT的XPS全谱图和Fe2p精细图谱
Figure 3. XPS survey spectra and Fe2p spectra of Fe/Ca-MMT and Fe/Alk-MMT
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图 5 Ca-MMT和Alk-MMT的N2吸附-脱附等温线
Figure 5. N2 adsorption-desorption isotherms of Ca-MMT and Alk-MMT
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图 7 Ca-MMT和Alk-MMT的NH3-TPD图谱
TCD—Thermal conductivity detector
Figure 7. NH3-TPD patterns of Ca-MMT and Alk-MMT
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图 8 Fe/Ca-MMT和Fe/Alk-MMT催化H2O2去除亚甲基蓝(MB)效果
[MB]=50 mg/L, [H2O2]=0.85 mmol/L, [Catalyst]=0.25 g/L, Initial pH=7.0, Temperature=50℃, Time=300 min
Figure 8. Removal efficiency of methylene blue (MB) with Fe/Ca-MMT and Fe/Alk-MMT catalyze H2O2
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图 9 反应温度对类芬顿体系去除MB的影响
[MB]=50 mg/L, [H2O2] =0.85 mmol/L, [Fe/Alk-MMT-100]=0.25 g/L, Initial pH=7.0, Temperature=20-60℃, Time=300 min
Figure 9. Influence of reaction temperatures on the removal of MB in Fenton-like system
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图 10 不同H2O2浓度对类芬顿体系去除MB的影响
[MB]=50 mg/L, [Fe/Alk-MMT-100]=0.25 g/L, [H2O2]=0-1.95 mmol/L, Initial pH=7.0, Temperature=50℃, Time=300 min
Figure 10. Influence of H2O2 concentration on the removal of MB in Fenton-like system
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图 11 催化剂用量对类芬顿体系去除MB的影响
[MB]=50 mg/L, [Fe/Alk-MMT-100]=0.15-1.50 g/L, [H2O2]=0.85 mmol/L, Initial pH=7.0, Temperature=50℃, Time=300 min
Figure 11. Influence of catalyst dosages on the removal of MB in Fenton-like system
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图 12 初始pH对类芬顿体系去除MB的影响
[MB]=50 mg/L, [Fe/Alk-MMT-100]=1.25 g/L, [H2O2]=0.85 mmol/L, Initial pH=3.0-9.0, Temperature=50℃, Time=300 min
Figure 12. Influence of initial pH values on the removal of MB in Fenton-like system
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图 13 Fe/Alk-MMT-100反应前后的FTIR图谱
Figure 13. FTIR spectra of Fe/Alk-MMT-100 before and after reaction
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图 14 催化剂重复使用次数对MB去除的影响
[MB]=50 mg/L, [Fe/Alk-MMT-100]=1.25 g/L, [H2O2]=0.85 mmol/L, Initial pH=7.0, Temperature=50℃, Time=300 min
Figure 14. Influence of catalyst recycle times on MB removal rate
表 1 样品编号说明
Table 1 Sample name description
Sample Alkali treatment temperature/℃ Content of Fe/wt% Alk-MMT-60 60 — Alk-MMT-80 80 — Alk-MMT-100 100 — Alk-MMT-108 108 — Fe/Alk-MMT-60 60 10 Fe/Alk-MMT-80 80 10 Fe/Alk-MMT-100 100 10 Fe/Alk-MMT-108 108 10 
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表 2 Ca-MMT和Alk-MMT的织构特征
Table 2 Textural properties of Ca-MMT and Alk-MMT
Sample BET surface area/(m2·g−1) Pore volume/(cm3·g−1) Average pore size/nm Ca-MMT 49 0.12 9.4 Alk-MMT-60 73 0.11 6.4 Alk-MMT-80 102 0.14 5.6 Alk-MMT-100 130 0.19 6.4 Alk-MMT-108 105 0.17 6.5 Note: BET—Brunauer-Emmett-Teller.
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表 3 碱处理温度对Fe/Alk-MMT催化剂中Fe溶出量的影响
Table 3 Effect of alkali treatment temperature on amount of leaching Fe in Fe/Alk-MMT catalyst
Catalyst Fe concentration/(μg·L−1) Fe leaching/(μg·g−1) Fe/Ca-MMT 33.2 132.8 Fe/Alk-MMT-60 25.6 102.4 Fe/Alk-MMT-80 16.1 64.4 Fe/Alk-MMT-100 12.2 48.8 Fe/Alk-MMT-108 25.5 102.0
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表 4 不同初始pH对Fe/Alk-MMT-100催化剂中Fe溶出量的影响
Table 4 Effect of different initial pH values on amount of leaching Fe in Fe/Alk-MMT-100 catalyst
pH Fe concentration/(μg·L−1) Fe leaching/(μg·g−1) 3.0 673.00 538.40 4.0 10.64 8.51 5.0 6.82 5.46 7.0 4.72 3.78 9.0 3.87 3.10
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表 5 不同催化剂类芬顿体系去除MB的比较
Table 5 Comparison of removal of MB by Fenton-like system composed with different catalyst
Catalyst Reaction condition Removal efficiency/% Ref. Fe-MMT [Catalyst] = 1.0 g·L−1
[H2O2]=10 mmol·L−1
[MB]= 0.2 mmol·L−1
pH=3.0, t=180 min93.0 [24] Fe/C [Catalyst] = 2.0 g·L−1
[H2O2] = 4 mL·L−1
[MB] = 10 mg·L−1
pH=3, t=30 min95 [25] Ce-doped UiO-67 [Catalyst] = 1.0 g·L−1
[H2O2] = 7 mmoL·L−1
[MB] = 500 mg·L−1
pH=3.0, t=30 min94.1 [26] Fe3O4@PDA-MnO2 [Catalyst] = 0.2 g·L−1
[H2O2] = 200 mL·L−1
[MB] = 40 mg·L−1
pH=3.0, t=240 min97.36 [27] HKUST-1/Fe3O4 /CMF [Catalyst] = 0.33 g·L−1
[H2O2] = 4 g·L−1
[MB] = 10 mg·L−1
pH=3.0, t=240 min98.0 [28] Fe/Alk-MMT [Catalyst]=1.25 g·L−1
[H2O2]=0.85 mmol·L−1
[MB]=50 mg·L−1
pH=3.0-9.0, t=300 min98.7 This work Notes: Fe-MMT—Iron-pillared montmorillonitic clay; Fe/C—Iron supported on walnut shell biochar; Ce-doped UiO-67—Cerium instead of a part of zirconium into the UiO-67 skeleton; Fe3O4@PDA-MnO2—Polydopamine (PDA) coating and MnO2 depositing onto the surface of Fe3O4 nanoparticles; HKUST-1/Fe3O4/CMF—Cellulose-supported magnetic Fe3O4-MOF composites; t—Time.
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其他类型引用(9)
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目的
非均相类芬顿反应体系氧化范围广，反应速度快，可以有效地降解废水中的有机污染物，同时解决了传统均相芬顿技术pH范围窄、催化剂回收难的问题又能避免二次污染，具有较好的应用前景。开发成本低、高效稳定的催化剂是类芬顿反应体系的关键。
方法本文以廉价的天然钙基蒙脱土(Ca-MMT)为原料，采用碱活化的方法对其进行结构裁剪和功能构筑，通过改变碱活化温度制备一系列具有不同结构和酸性的碱活化蒙脱土(Alk-MMT)。并以Alk-MMT为载体，采用浸渍法制备了负载铁催化剂(Fe/Alk-MMT)，与HO组成类芬顿体系去除亚甲基蓝(MB)。对所制备的材料进行了XRD、NH-TPD、XPS、SEM、FT-IR、N吸附-脱附等表征分析。通过单因素实验考察了反应温度、溶液初始pH、HO浓度及催化剂用量等反应条件对类芬顿去除MB的影响。结合表征及反应结果揭示碱活化对蒙脱土结构和酸性影响规律，阐明影响类芬顿体系去除MB的主要因素。
结果在碱性条件下蒙脱土Si-O四面体中Si的溶出，导致了蒙脱土结构和酸性发生改变，其改变的程度取决于碱处理的温度。随着碱处理温度的增加，更多的Si被溶出，使得蒙脱土的层状结构破坏程度逐渐加剧，比表面积和酸性先增大而后降低，平均孔径表现出相反的趋势。Fe/Alk-MMT催化剂上的铁物种主要以α-FeO的形式存在，且蒙脱土通过碱处理后，Fe和蒙脱土之间的相互作用增强。蒙脱土结构和酸性的改变显著影响了类芬顿体系去除MB的性能。其中具有最大比表面积和酸性的Alk-MMT-100负载Fe催化剂(Fe/Alk-MMT-100)的类芬顿体系对MB的去除表现出较优的性能，由于Fe与Alk-MMT-100之间的相互作用最强，使得反应过程中催化剂中的Fe流失量最低。反应条件对类芬顿体系去除MB的影响如下：随着反应体系温度的升高，MB的去除率逐渐增加，但增加值逐渐趋缓；在较低HO浓度时，HO浓度的增加使得MB的去除率增加，但其从0.85 mmol/L增加到1.95 mmol/L时，MB的去除效率反而出现下降的趋势；随着催化剂用量的逐渐增加，MB的去除率逐渐增加，当达到1.25 g/L之后，MB的去除率趋于平稳；较低的溶液pH会增加催化剂中铁的流失，反应能快速达到平衡，在pH为4.0-9.0范围内反应300 min，MB的去除效率均可达98.7%以上，且Fe的流失量很低。由于该反应过程是吸附和催化氧化共同进行的，反应后催化剂表面MB的存在会覆盖一部分活性位，进而导致催化剂活性下降，经过热再生，可以恢复催化剂的活性，重复再生使用6次后，活性仍不下降，表现出较好的稳定性。
结论碱活化是调变蒙脱土结构和酸性的一种简单易行的方法。Alk-MMT结构和酸性的变化明显影响类芬顿体系去除MB的性能。Fe/Alk-MMT-100为催化剂的类芬顿体系在反应温度为50 ℃，催化剂和HO用量分别为1.25 g/L和0.85 mmol/L，在较宽的pH范围(3.0-9.0)反应300 min后MB的去除效率均可达98.7%以上，且表现出较好的稳定性，重复使用6次后，活性未下降。为蒙脱土基类芬顿体系进一步工业化应用提供理论依据。
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尽管高级氧化技术中的芬顿体系具有操作简单和氧化能力强等优点，但其反应条件的苛刻(pH=2.5-3.5)、反应后体系形成大量铁泥、催化剂回收困难等缺陷阻碍了其工业化应用。经过多年研究，发现把铁盐固定到多孔材料上(如活性炭、沸石和粘土)所形成的类芬顿体系可以很好的克服催化剂回收难的问题，并能拓宽反应的pH值。多孔材料具有较大的比表面积，一方面可以起到固定铁的作用，另一方面还可以起到吸附富集有机物、加快反应进行的作用。此外，研究表明一些具有较强酸性的多孔材料，更有利于反应的发生，极大地提高有机污染物的降解效率。因此，对于多相类芬顿催化反应，寻求一种适宜的多孔材料是至关重要的。
蒙脱土是由两层硅氧四面体之间夹一层铝氧八面体组成的2：1型层状硅酸盐粘土矿物，在我国储量丰富，价格低廉。其层间阳离子的存在使其具有良好的可交换性。鉴于蒙脱土的结构，本文通过碱活化的方式对其改性，通过控制碱处理的条件实现了对其结构和酸性的有效调控，得到了一系列具有不同结构和酸性的碱活化蒙脱土(Alk-MMT)。以其为载体的负载铁催化剂(Fe/Alk-MMT)与H2O2组成类芬顿体系用于去除亚甲基蓝(MB)。对所制备的材料进行了XRD、NH3-TPD、XPS、SEM、FT-IR、N2吸附-脱附等表征分析。结果表明，与Ca-MMT相比，Alk-MMT的结构和酸性均发生了明显的变化，且变化的程度与碱处理温度密切相关。Alk-MMT结构和酸性的变化明显影响类芬顿体系去除MB的性能。其中以铁负载在100℃碱活化的蒙脱土(Fe/Alk-MMT-100)为催化剂的类芬顿体系在反应温度为50℃，催化剂和H2O2用量分别为1.25 g/L和0.85 mmol/L，在较宽的pH范围(3.0-9.0)反应300 min后MB的去除效率均可达98.7%以上，且表现出较好的稳定性。
Alk-MMT-60 (b), Alk-MMT-80 (c), Alk-MMT-100 (d), Alk-MMT-108 (e))
不同催化剂的类芬顿体系去除MB效果
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