【摘 要】
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水体富营养化带来藻类的暴发性生长,藻细胞向水体环境中释放大量的有害物质,严重降低水质,给饮用水安全保障带来严峻挑战。光催化技术由于高效、低耗、绿色环保等特点而受到广泛关注,但绝大多数的催化剂对可见光响应微弱甚至无响应,限制了其广泛应用。本文为拓宽催化剂的光响应范围,提高可见光的利用效率,制备一种新型可见光响应催化剂Ni-BiOCl,并将光催化技术与磁处理技术相结合,提出了光磁耦合除藻技术。课题以引
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水体富营养化带来藻类的暴发性生长,藻细胞向水体环境中释放大量的有害物质,严重降低水质,给饮用水安全保障带来严峻挑战。光催化技术由于高效、低耗、绿色环保等特点而受到广泛关注,但绝大多数的催化剂对可见光响应微弱甚至无响应,限制了其广泛应用。本文为拓宽催化剂的光响应范围,提高可见光的利用效率,制备一种新型可见光响应催化剂Ni-BiOCl,并将光催化技术与磁处理技术相结合,提出了光磁耦合除藻技术。课题以引起蓝藻水华的常见优势藻种铜绿微囊藻为处理对象,研究制备了镍(Ni)掺杂改性的镍-氯氧铋(Ni-BiOCl)并对所制备催化剂进行了表征;开展了光催化及光磁耦合除藻实验;探究了除藻过程的主要影响因素,并分析了除藻机理。主要研究成果包括以下几个方面:(1)采用一步水热合成法制备了一种新型的Ni-BiOCl可见光响应催化剂,对其表面形貌、结构特征和电化学性能进行了表征,并与BiOCl进行了对比分析。结果表明,所制备的BiOCl和Ni-BiOCl均呈纳米片状,Ni成功地掺杂进BiOCl晶格内且不改变主体晶格结构;Ni的掺杂有效地缩小了BiOCl的带隙能,拓宽了BiOCl的光吸收范围,使其能响应可见光;ESR表征表明催化剂受激发后产生的主要活性物质为O2-。通过罗丹明B及双酚A降解测试得出Ni-BiOCl比纯的BiOCl光催化性能更高,其中9%Ni-BiOCl在可见光下表现出最优光催化性能。(2)探究了Ni掺杂量、催化剂投加量、光照强度、转速、藻液初始浓度对光催化除藻效果的影响。实验得出除藻最佳催化剂掺杂量为9%,最佳催化剂投量为0.05 g,最佳光照强度为65 klux,最佳磁力搅拌器转速为500 r/min,最佳反应藻液初始浓度为2.6×106cells/mL,在此条件下光催化反应60 min后除藻率高达93.04%。结合捕获剂实验及EEM分析探讨在可见光下的光催化除藻机理,发现Ni-BiOCl在可见光照射下受到激发,产生光生电子-空穴对(e--h+),e-从价带迁移至导带,与O2反应产生自由基(·O2-),·O2-和h+首先破坏了铜绿微囊藻的细胞壁,使胞内的活性荧光物质失活,进而将胞内的外泄物如叶绿素、藻蓝蛋白催化氧化为无机物。(3)探究了磁场强度、磁场预处理方式、藻液浓度对光磁耦合除藻的影响。实验结果表明:随着磁场强度的增加,除藻效率变大;磁场预处理时间对光催化除藻没有显著影响;光磁耦合技术对较高浓度藻液(3.6×106cells/mL,4.6×106cells/mL,5.6×106cells/mL,6.6×106cells/mL)的抑制作用与单独光催化除藻相比效率分别提高了31.29%、57.68%、55.39%、49.19%;磁场能促进氧化物质的产生,从而提高光磁耦合除藻效率。
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