漂浮型石墨碳材料负载光催化剂去除水中四环素类污染物的机制和应用

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地表水中的抗生素污染成为当前人们对水体健康和生态风险评价的关注点,抗生素污染物也被列为当前最受关注的新型微污染物之一。研究有效去除地表水中低浓度抗生素的方法,对于水环境的净化和生态健康的维护具有重要意义。花生壳作为一种来源广泛的农业废弃物被众多学者应用于生物炭的资源化利用研究。人造电极石墨材料具有良好的热导率、导电率和丰富的孔隙结构,石墨电极加工过程产生的石墨废料碎屑,具有较高的资源化利用价值。已有前期研究证实,使用石墨材料修饰半导体光催化剂可以提升其催化性能。因此,本课题从原材料的配比、制备工艺等方面开展研究,制备出具有良好孔径结构和吸附性能的漂浮型生物石墨碳多孔材料,用于处理水体中的四环素类抗生素。具体研究内容如下:(1)为了提高净化材料对四环素的吸附及光催化性能,本课题以花生壳和电极石墨粉体为材料,首先采用混捏合工艺制备了石墨化碳(GC),而后利用浸渍法合成了二氧化钛石墨化碳(Ti O2-GC)。考察了该复合材料对水体中盐酸四环素的降解效果,XRD、SEM表征显示,GC上负载的Ti O2的晶体结构为纯锐钛矿相。FTIR和XPS表征显示,经过负载后,催化剂中有Ti-C-O价键的形成,UV-Vis DRS表明Ti O2的带隙降低到2.67 e V,电化学性质表明Ti O2-GC的光生电子-空穴对的复合率降低。盐酸四环素的光催化实验显示,Ti O2-GC对四环素有较强的吸附降解能力(催化剂量为0.7 g/L,可见光照射2 h,降解率达94.64%),光降解过程符合一级动力学模型。Ti O2-GC复合催化剂连续使用五次后仍具有良好的光催化性能。(2)以花生壳、电极石墨和漂珠为原料,以聚乙烯醇为粘结剂,以磷酸为活化剂,制备出漂浮型石墨碳小球(FGC),用于水环境中盐酸四环素的吸附去除。SEM和BET表征结果显示,FGC比表面积为61.39 m~2/g,表面存在大量介孔,具有良好的孔隙结构。材料具有较好机械强度,密度小,便于回收再利用。p H为4-10时,FGC对盐酸四环素的吸附效率都能达到80%左右,吸附动力学特征符合准二级动力学和Langmuir等温吸附方程。(3)将FGC作为载体,钛酸丁酯作为光催化剂的前驱体,采用浸渍-成型-焙烧工艺制备出漂浮二氧化钛石墨碳小球(FTDGC),利用制备的材料对水中盐酸四环素进行可见光照射实验。结果显示:该材料对6.65 mg/L的四环素有良好的光催化降解性能。采用XRD、SEM、FTIR和XPS等方法表征材料的理化性质,结果显示,Ti O2催化剂有良好的锐钛矿晶型,均匀负载在碳基材料表面。石墨碳的吸附能力加快了污染物迁移到复合材料表面的速率,在投加量为4.5 g/L时,氙灯照射3 h的去除效率达90.08%,在p H为6-8时,投加的碳基材料对四环素污水的p H具有缓冲调节作用。FTDGC循环利用实验表明,五次循环后,材料对盐酸四环素仍具有较好降解能力。
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