基于磁性石莼生物炭的Bi/BiOBr复合光催化剂对环丙沙星降解性能研究

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抗生素被广泛用于医疗和农业领域,治疗人类、动物的细菌感染疾病。其中,环丙沙星(CIP)作为广泛使用的一种广谱抗生素,具有高度的水溶性和化学稳定性,易在水环境中积累,不仅影响环境生态,还对人类健康构成威胁。因此,有效去除环境中残留环丙沙星成为研究热点。目前,物理吸附和光催化降解被认为是绿色、环保、低廉、高效的抗生素废水治理方法,近年来已开发出多种吸附剂和光催化剂用于环丙沙星废水治理,但大部分吸附剂存在成本较高、性能不高等不足,光催化剂存在活性不高、稳定性差等不足。生物炭是众多碳基材料的一种,具有较大的比表面积、丰富的含氧官能团、良好的导电性能,可作为吸附剂和光催化剂载体用于环丙沙星废水治理。基于此,本论文利用价格低廉的石莼为原料,通过高温炭化、化学活化制备了一种石莼生物炭吸附剂(KBC),探讨了对环丙沙星的吸附性能和机理;同时以磁性石莼生物炭为载体,结合Bi OBr在可见光下具有高的吸收效率,采用一步溶剂热法制备了磁性石莼生物炭基Bi/Bi OBr复合光催化剂(Bi/Bi OBr@KBC-Fe3O4),并研究了该光催化剂对环丙沙星废水的降解性能和机理。本论文的主要内容如下:(1)通过不同热解温度和KOH活化法制备石莼改性生物炭(KBC),通过XRD、SEM、FT-IR、元素分析和吸附实验等手段对材料进行形貌、成分、结构进行表征并对CIP的吸附性能以及机理进行分析。结果表明KBC是一种具有蜂巢状类石墨结构、含有丰富官能团(C-OH、C=O和-NH)、高比表面积(1799.23 m~2/g)、高度碳化(C元素含量82.36%)和疏水性的生物炭材料;在最佳条件下对环丙沙星平衡吸附容量可高达695.09 mg/g。吸附动力学模型研究表明KBC吸附过程符合伪二级动力学模型(PSO),PSO模型拟合最大吸附容量为711.26 mg/g与平衡吸附容量(qe=695.09 mg/g)相近,等温吸附模型研究表明KBC属于Langmuir模型。研究表明KBC对环丙沙星的吸附主要属于单层物理-化学吸附。(2)通过一步溶剂热法成功构筑了金属/半导体/生物炭三元异质结结构的磁性石莼生物炭复合光催化材料(Bi/Bi OBr@KBC-Fe3O4),并通过XRD、SEM-EDS、TEM、XPS、DRS、PL和光催化降解等手段对该材料进行了形貌、成分、结构、光电学性质和光催化性能的详尽表征。实验结果表明:制备的微球Bi/Bi OBr@KBC-Fe3O4复合材料表面被磁性石莼生物炭均匀的包覆能够有效抑制电荷载流子复合率,因此具有较好的光催化活性,复合材料中磁性石莼生物炭的掺入能有效增强材料的比表面积,且当磁性石莼生物炭负载量为0.2时,0.2Bi/Bi OBr@KBC-Fe3O4的比表面积为68.68 m~2/g为纯Bi OBr的2.4倍。同时也表现出较宽的光吸收边带(681 nm)和较为理想的禁带宽度(2.22e V),同时Bi纳米颗粒的产生使复合材料表面等离子共振(SPR)效应增强表现出最高的光催化活性。(3)经过上一部分得到材料制备与表征的基础上,以环丙沙星为目标污染物对制备的材料进行光催化降解性能测试。实验结果表明:不同磁性石莼生物炭负载量(0.05、0.1、0.2)对光催化活性影响较大,催化剂投加量为0.5 g/L,环丙沙星浓度为20 mg/L,p H为7,反应90 min时0.2Bi/Bi OBr@KBC-Fe3O4对环丙沙星表现出最高的降解效率为96.3%。单因素实验表明:催化剂投加量、环丙沙星浓度、p H值等对0.2Bi/Bi OBr@KBC-Fe3O4降解环丙沙星均有一定的影响。0.2Bi/Bi OBr@KBC-Fe3O4光催化降解环丙沙星反应体系中h+对环丙沙星的降解起主导作用,降解环丙沙星路径可分哌嗪环上的仲胺基团的氧化,喹诺酮部分氧化,和环丙基氧化三种。0.2Bi/Bi OBr@KBC-Fe3O4复合光催化剂的稳定性在四次循环实验后依然具有较高的降解能力,证明该催化剂具有稳定性强、易于回收、催化性能提高等潜在优势,通过一步溶剂法作为多元异质结半导体催化剂的合成路线为进一步设计溴氧化铋基复合光催材料提供了理论基础。
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