BiOBr/蒙脱石光催化活化亚硫酸盐降解污染物效能与机制

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在生产生活过程中产生许多难以生化降解的污染物,如抗生素类药品、个人护理品、农业生产过程中使用的农药等,它们在水体环境中存在时间长,易积累,难以利用常规工艺去除。光催化高级氧化技术可将太阳能转化为化学能,在这个过程中产生空穴和超氧自由基等具有强氧化能力的活性物质,实现难降解有机污染物的高效降解。光催化高级氧化技术具有设备简单和操作方法易行等优点。新型光催化剂溴氧化铋(BiOBr)具有无毒、禁带宽度相对较小等优点。本研究利用黏土矿物之一蒙脱石(MMT)对BiOBr进行掺杂改性,制备复合材料BiOBr/MMT,构建BiOBr/MMT光催化强化亚硫酸盐氧化体系,提升光催化降解有机污染物效能。本研究首先优化了BiOBr及BiOBr/黏土材料复合光催化剂的合成。在常温常压下通过共沉淀法成功合成了BiOBr,探究了制备过程中使用的乙二醇溶剂对BiOBr氧空位的影响。当所用乙二醇/水溶剂的比例为1:1时,制备出来的BiOBr材料具有丰富的氧空位和更好的太阳光催化降解性能。同时,选择不同的黏土矿物掺杂BiOBr,优选出光催化性能较好的复合材料,结果表明,MMT改性BiOBr的复合材料具有较好的光催化降解污染物性能。对不同比例的MMT改性BiOBr光催化降解污染物效果进行探究,10%的MMT改性BiOBr取得较好的降解污染物效果。对改性前后的光催化剂进行表征,分析改性前后材料的结构特性、表面形貌、光学性能及组成成分。X射线衍射分析(XRD)结果表明,常温常压下共沉淀法成功合成了BiOBr晶体,MMT通过超声处理成功被剥离成纳米片。比表面积分析(BET)表明,改性后材料比表面积增加。扫描电子显微镜(SEM)显示改性后的材料结合了BiOBr花状和MMT层状特征。改性前后的光催化材料中均检测到相关的官能团,改性后的材料中有Si-O和Al-O键等。通过加入亚硫酸氢钠构建BiOBr/MMT光催化强化体系。BiOBr/MMT光催化强化体系在5 min内可降解73.7%的阿特拉津(ATZ),50 min时阿特拉津降解率为98.6%。BiOBr/MMT体系还可对不同类型难降解有机污染物(四环素、磺胺嘧啶、卡马西平)表现出较好的降解效能。研究了不同亚硫酸盐浓度、初始p H、不同催化剂投加浓度及共存阴离子对BiOBr/MMT光催化强化体系的影响。在酸性条件下,亚硫酸盐浓度为2 m M时,光催化强化体系表现出较好的降解效能,5 min内可降解75.7%的ATZ,40 min时ATZ即可完全降解。催化剂投加浓度对强化体系影响较小。共存阴离子对光催化的抑制作用大小:NaNO3<Na Cl<Na HCO3<Na2HPO4,NaNO3对光催化反应过程几乎无抑制,而Na2HPO4对光催化反应过程有较强的抑制。通过淬灭实验和电子自旋共振实验得出体系中起主要作用的活性组分是光生空穴h+、硫酸根自由基SO4·-、单线氧~1O2和过硫酸根自由基SO5·-,提出了BiOBr/MMT光催化强化体系对污染物的降解机制。通过暗反应中SO32-和SO42-离子浓度的测定,可得到催化剂表面离子吸附量,暗反应过程中BiOBr/MMT催化剂对离子的吸附提高了光催化反应对有机污染物的降解速率。利用液相色谱质谱测定中间产物,并根据中间产物的结构推测难降解有机污染物ATZ可能的降解途径。本研究利用黏土矿物MMT成功改性BiOBr,改性后材料在模拟太阳光下光催化活化亚硫酸盐高效降解难降解有机污染物,实现了材料制备过程简便,污染物降解过程绿色高效。
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