Bi2WxMo1-xO6/BiOI/PDS体系构建及模拟太阳光下降解双酚A机理研究

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内分泌干扰物(EDCs)是一类具有潜在危害的毒性物质,在各种地表水、处理厂的污水、甚至是蔬菜水果和饮用水中均有检测到EDCs的存在,严重影响生物和生态环境的健康。传统的处理方法并不能完全将EDCs从环境中去除,因此急需开发高效、经济、安全的EDCs处理技术。光催化具有能耗低、非选择性矿化、反应条件温和的优点,适用于水中EDCs的去除。其中铋基光催化剂因独特的层状结构,在光照下具有良好的光催化活性,被应用于污染物的去除。然而在实际应用中仍存在三个问题:可见光利用率低、光生电子空穴对复合快,导致光催化性能差;矿化率低,保留下来中间体毒性未知,有潜在的生态污染风险;粉末催化剂难以回收,易造成二次污染,且增加光催化技术成本。因此,本文针对这三大问题,从物相调控、构建异质结、过硫酸盐活化、水凝胶包覆等途径对催化剂进行改性和优化,一定程度上解决了催化剂实际应用面临的问题。通过对材料理化性质的表征及降解机理的分析,证实方法可为光催化技术处理水中污染物提供一种可行性方案。本文的主要研究内容及结论如下:(1)针对可见光利用率低的问题,以宽带隙的Bi2WO6为研究对象,通过与Bi2Mo O6结合,进行物相调控,构建Bi2WxMo1-xO6固溶体光催化剂。结果表明,与Bi2WO6相比,用Mo取代W位点可调节半导体的能带结构,降低带隙能,拓宽光利用范围,提高光催化活性。在光照120 min和180 min时,15 mg/L BPA的去除率和矿化率分别为96.2%和87.1%。提出了BPA的主要降解途径,即羟基化、烷基氧化、脱氢和芳香环开环。发光细菌急性毒性实验和T.E.S.T毒性检测结果表明BPA的毒性在光催化过程中逐渐降低,证实BPA得到了很好的降解及脱毒。(2)为进一步提高催化剂对可见光的吸收,同时促进光生电子-空穴的分离,引入p型半导体BiOI,通过BiOI在Bi2W0.25Mo0.75O6上的外延生长合成了分层花球结构的Bi2W0.25Mo0.75O6/BiOI,这种结构有利于界面电荷的快速转移,并通过衍射和反射可见光增强光子捕获。同时,半导体能带随着费米能级偏移构建Bi2W0.25Mo0.75O6/BiOI p-n异质结,形成内部电场,快速转移电子,提高电子-空穴的分离效率。此外,BiOI的引入进一步优化了Bi2W0.25Mo0.75O6的光电化学性质,有效的拓宽了可见光利用范围。实现模拟太阳光照射下15 mg/L BPA 60 min内100%的降解。发光细菌急性毒性实验结果证明了反应过程的安全性。(3)为进一步提升污染物的降解率和矿化率,通过添加过硫酸钠(PDS),构建Bi2W0.25Mo0.75O6/5%BiOI/模拟太阳光/PDS光催化系统。PDS作为电子受体,促进电子-空穴分离的同时生成具有强氧化性的SO4-·自由基,以实现污染物的高效降解和矿化。30 min内15 mg/L BPA可100%去除,60 min时TOC去除率可达84.50%。此外,LC-MS、T.E.S.T和发光细菌急性毒性实验结果表明,随着光催化反应的进行,毒性逐渐下降。(4)针对粉末催化剂难以回收、容易造成二次污染的问题。采用水凝胶包覆的方法,制备多孔结构的3D自浮Bi2W0.25Mo0.75O6/BiOI-SA水凝胶珠,在30 min内可实现15 mg/L BPA的100%去除,在三次循环之后也保持高的光催化活性。
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