葵花籽壳炭复合光催化剂的制备及其去除水中抗生素的研究

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葵花籽壳作为一种常见的生物质废弃物可用来制备生物炭,实现资源化利用。生物炭具有比表面积大和导电性良好等特点,作为载体能够有效提升光催化剂的催化活性。近年来,非金属半导体光催化剂g-C3N4有响应可见光、稳定性好、无毒、无二次污染、易制备等特点,吸引许多科研人员对其进行开发研究。本文以葵花籽壳为原料设计制备出一种高吸附性吸附剂(GSBC)并以此为载体合成了复合光催化剂(g-C3N4/GSBC)用于水体中典型抗生素的有效去除,并考察其降解机制和影响因素。研究内容如下:(1)以葵花籽壳为原料,使用磷酸预活化、聚乙烯醇粘合,一步热解工艺制备出有良好吸附性能的15GSBC-1/800炭球。通过SEM、BET、XRD、Raman、FTIR、XPS和EA等方式对其理化性质进行表征结果显示,比表面积为827.36 m~2/g,有丰富的介孔,表面有着芳香环、羟基和羰基等基团,晶体为无定型炭但呈现一定程度微晶石墨结构。对苯酚吸附实验结果表明,15GSBC-1/800对小分子有机污染的吸附效果远高于市场商用柱状活性炭。在反应体系p H=5时具有最佳的吸附效果。当投加量为0.3g/L,磺胺甲恶唑(SMZ)初始浓度为10 mg/L时,吸附容量为31.78 mg/g,去除率达99%。水中的共存离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NO3-、SO42-对SMZ吸附无显著影响,Al3+、OH-、CO32-对吸附有轻微的抑制作用。材料对SMZ的吸附符合准二级动力学和Langmuir等温吸附模型,且在重复利用5次后,对SMZ仍表现出良好的吸附性能。(2)以15GSBC-1/800为载体,尿素为前驱体,通过浸渍-焙烧工艺制备出对抗生素有良好光催化降解活性的g-C3N4/GSBC 5:1复合光催化材料。采用SEM、BET、XRD、FTIR、XPS和EA等方式对其理化性质进行表征,UV-vis DRS、PL、光电流响应测试、EIS和Mott-Schottky用于分析材料的光学性能和光电化学性能。结果表明,g-C3N4/GSBC 5:1具有71.09 m~2/g的高比表面积;g-C3N4和GSBC通过π-π共轭发生堆叠,晶型结构无明显变化;GSBC的存在降低了g-C3N4的禁带宽度,增强光生载流子的分离。在投加量为0.5 g/L,污染物初始浓度为10 mg/L,相同光照时间内g-C3N4/GSBC 5:1对磺胺甲恶唑(SMZ)、环丙沙星(CIP)和四环素(TC)的降解性能分别是g-C3N4的1.6倍、3.2倍和1.1倍。(3)选取g-C3N4/GSBC 5:1复合材料分别研究了反应体系p H值、污染物初始浓度和水中共存离子类型等各项因素对SMZ、CIP和TC三种抗生素光降解性能的影响,并比较了其在不同水质背景下的降解效果。随着p H值和污染物初始浓度的增加,材料的光催化活性逐渐下降。水中共存阴离子中HCO3-呈现抑制作用,SO42-、NO3-和Cl-的存在影响略小。三种抗生素在腐殖质类含量最大的污水厂出水中表现出的降解性能最差,TC在污水厂出水、湖水、自来水和去离子水中的降解性能无明显差异。对其光降解机制分析可知,在光降解过程中h+和·O2-是起主要作用的活性物种,并结合HPLC-MS结果对SMZ、CIP和TC三种抗生素的降解途径做出推测。循环利用实验显示g-C3N4/GSBC 5:1在经过四次重复利用后对抗生素仍有较好的降解能力。
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