溴氧化铋/环糊精树脂复合材料的制备及其光催化降解水中偶氮染料性能研究

来源 :王雪瑶 | 被引量 : 0次 | 上传用户:genius0728
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偶氮染料是一种广泛使用的染料化合物,由于难生物降解且具有多种毒性效应,造成了严重的水污染问题。吸附-光催化-基于硫酸根自由基(SO4·-)的高级氧化技术(AOP)的联用是通过吸附、光催化和过硫酸氢盐(PMS)可见光活化的协同作用,促进难降解有机污染物发生分解的耦合技术,具有降解速率高、经济成本低、无二次污染等优点。酸性橙7(AO7)是偶氮染料的一种,本论文选择AO7为模型污染物,通过两亲性超交联多孔环糊精树脂(PBCD-B-D)与溴氧化铋(Bi OBr)的结合,制备出具有吸附-光催化双重功能的复合材料,并耦合基于SO4·-的AOP,实现了对水中AO7的净化,为偶氮染料废水的处理提供了技术手段。主要研究结果如下:(1)以溴化钾、五水硝酸铋和PBCD-B-D为原料,通过一步溶剂热法构建了Bi OBr/PBCD-B-D(BOP)复合材料。通过多种表征手段研究BOP材料的形貌、结构和化学组成等性质。扫描电子显微镜(SEM)的分析结果发现,BOP的形态为三维(3D)立体球形花,并且随PBCD-B-D负载量不断增加,材料直径不断增大(由1μm增加到2.5μm)。能谱、透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)等仪器表明,BOB和PBCD-B-D在BOP材料中同时存在,且PBCD-B-D分散均匀。X射线衍射光谱(XRD)表明,BOP材料结晶良好且具有较高纯度;(2)系统评估了不同PBCD-B-D负载量的BOP材料通过吸附和光催化作用去除偶氮染料AO7的效果。在60分钟(min)内,BOP-24对AO7的吸附量为40.1mg g-1。随着PBCD-B-D负载量的增加,不同BOP样品的吸附能力呈上升趋势。在各种制备的催化剂中,负载24%PBCD-B-D的Bi OBr(BOP-24)复合材料表现出最佳去除AO7的性能(360 min,93.2%),其反应速率常数(k)为BOB的2.13倍。不同浓度下的梯度降解实验表明,低浓度的AO7(0.1 m M)表现出更好的吸附和光催化效果。p H影响实验表明,BOP-24的适用范围较宽,在p H=3.0-9.0内对AO7都有着良好的去除效果。阴离子对BOP-24降解AO7的影响依次为:CO32->SO42->NO3->Cl-。经过4次降解循环后,BOP-24对AO7降解效率维持初始的81.6%。XRD光谱分析发现,4个光降解循环之后的BOP-24晶体结构保持完整;(3)紫外可见漫反射光谱以及莫特肖特基曲线测量结果表明,随着PBCD-BD负载量的增多,吸收边缘发生红移,带隙逐渐变窄。BOB的导带电势(ECB)及其价带电势(EVB)分别被测量和计算为-0.9 V和1.87 V(vs.NHE),而BOP-24的ECB和EVB分别为-0.35 V和1.82 V(vs.NHE)。电子顺磁共振光谱实验和自由基捕获实验共同表明,超氧自由基(·O2-)、空穴(h+)以及羟基自由基(·OH)在BOP系统中发挥作用。瞬态光电流实验和电化学阻抗实验表明,BOP-24具有最佳的电荷转移效率和最小的电荷传输阻力。BOP材料利用吸附与光催化协同作用降解AO7的机理归因于PBCD-B-D的引入。独特的空腔结构导致有机物污染物被富集,缩短了传质距离;材料比表面积增加,不仅为系统提供了大量的反应吸附位点和活性中心,还产生了氧空位(OV)以改善电荷分离。最后,本研究通过3D激发-发射矩阵荧光光谱法分析了荧光的变化。结合结合液相色谱-质谱确定了AO7的可能降解途径;(4)BOB/PMS、BOP-24/PMS和无催化剂/PMS系统的对比实验表明,仅使用可见光照射而不添加光催化剂不能活化PMS。相比于BOB/PMS系统,BOB-24/PMS的k值提升了4.9倍。将PMS引入BOP-24/可见光系统中发现,相比于BOP-24材料,60 min内BOP-24/PMS对AO7的降解效果从64.1%提升至99.2%。改变操作条件和影响因素发现,PMS浓度和p H值与BOP-24/PMS对AO7的降解效果呈正相关。阴离子影响实验表明,加入Cl-、SO42-和NO3-会促进AO7的光降解,而CO32-的添加则起抑制作用。将PMS、过硫酸盐(PS)和亚硫酸盐(Na2SO3)引入系统进行对比分析,BOP-24/PMS的k值分别为BOP-24/PS和BOP-24/Na2SO3的6.2和19.5倍。自由基捕获实验表明,在BOP-24/PMS降解AO7的体系里,·O2-、h+、·OH和SO4·-均为反应的活性物种。BOP-24/PMS系统中,BOP-24利用吸附作用和独特的空腔结构将AO7富集到活性位点附近,减小了活化PMS的路径。此外,PMS还可以作为电子(e-)受体,促使部分e-向PMS转移,从而进一步提升了载流子分离的效率。综上,本论文合成出一种具有吸附-光催化复合功能的新型材料;开发了一种吸附-光催化-基于SO4·-的AOP多功能耦合水处理技术,并阐明了协同作用机理。
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