铋系无机印迹光催化剂选择性光降解环丙沙星残留的性能和机理研究

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环丙沙星(CIP)是常用的抗生素杀菌药物,在临床研究和畜牧养殖等方面使用广泛,但是过量的使用CIP会引起水环境中CIP的残留,对生态环境和人体健康带来了严重的影响。实际水环境是复杂的,其中不仅含有残留的CIP,还含有一些无毒无害和可回收再利用的物质。传统的治理技术不能选择性吸附并去除CIP这类低浓度、难去除、高毒性的物质,这大大降低了治理效率。而印迹光催化技术不仅绿色环保、无二次污染,还能够合成印迹孔穴特异性吸附CIP,有效提高水体治理效率。因此,选择印迹光催化技术来处理CIP残留的问题。但传统印迹光催化剂存在有机印迹层,会覆盖催化剂表面的活性位点影响其光催化活性,还可能会与光催化剂发生反应,导致光催化剂稳定性变差。而无机印迹光催化剂的制备过程是将模板分子与制备无机光催化剂的原材料直接结合,不仅制备过程相对简便,还可以解决传统印迹光催化剂中产生有机印迹层覆盖活性位点的问题,也不会与光催化剂发生氧化还原反应,从而提升无机印迹光催化剂的稳定性。因此引入无机印迹光催化技术,实现在光照条件下对水环境中CIP残留的选择性去除。此外,铋系材料具有较好的稳定性和光响应能力,能够较好地去除有机污染物,是较好的无机光催化剂。因此,本研究采用铋系无机光催化剂结合无机印迹技术对水体中CIP残留进行选择性降解。综上所述,本文以CIP为模板分子,在铋系无机光催化剂的合成过程中引入无机印迹光催化技术,以实现铋系无机印迹光催化剂选择性光降解CIP残留污染物的目的。主要研究内容如下:(1)以CIP为模板分子,通过简单的水热反应合成片状钛酸铋Bi4Ti3O12光催化剂(F-BTO),并对其进行无机印迹修饰,最终合成具有特异性吸附印迹孔穴的片状Bi4Ti3O12无机印迹光催化剂(FII-BTO)。通过在水热反应过程中调节TB与OA的比例来调控片状无机印迹Bi4Ti3O12光催化剂(FII-BTO)的片层结构,以达到最优异的光催化性能。通过XRD、XPS、SEM、TEM、光电流、阻抗等表征考察了FII-BTO的结构、组成、形貌、光电化学等性质。利用光催化降解实验和选择性实验分别对FII-BTO的光催化降解性能和对CIP的选择性进行了探究,并提出其选择性光催化降解的机理。结果表明,FII-BTO对CIP的光降解率为55.76%,相比与F-BTO(41.48%)有较好的提升,而且印迹孔穴的存在能够特异性吸附CIP残留,FII-BTO对F-BTO的k选择性达到1.81,具有优异的选择性光催化降解能力。(2)以CIP为模板分子,采用溶胶凝胶法合成了花球状钛酸铋Bi4Ti3O12光催化剂(FG-BTO),并对其进行无机印迹修饰。最终合成了具有印迹孔特异性吸附的花球状无机印迹钛酸铋Bi4Ti3O12光催化剂(FGII-BTO)。通过调节模板分子CIP在溶胶-凝胶过程中的添加位置和剂量,实现了FGII-BTO的最佳光催化性能。利用XRD、XPS、SEM、TEM和阻抗等表征对FGII-BTO的结构、形貌和光电响应进行了考察。利用光催化降解实验和选择性实验分别对FGII-BTO的光催化降解性能和对CIP的选择性进行了探究,并提出其选择性光催化降解的机理。结果表明,FGII-BTO对CIP的光降解率为64.2%,比FG-BTO(39.0%)高25.2%。FGII-BTO表现出良好的选择性光催化降解性能。(3)以CIP作为模板分子,通过溶胶凝胶法合成铁酸铋Bi Fe O3光催化剂(BFO),并对其进行无机印迹修饰,获得具有特异性吸附能力的印迹孔穴,最终制备出能够特异性吸附CIP残留的无机印迹Bi Fe O3光催化剂(II-BFO)。通过XRD、XPS、SEM、TEM、VSM、光电流等表征对II-BFO的结构、形貌,磁分离能力和光电性能等进行了考察和测试。利用光催化降解实验和选择性实验分别对II-BFO的光催化降解性能和对CIP的选择性进行了探究,并提出其选择性光催化降解的机理。结果表明,在可见光下II-BFO(62.81%)对CIP的光降解率是BFO(24.93%)的2.52倍,II-BFO对BFO的k选择性为1.79,II-BFO表现出了良好的选择性光催化降解性能。
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