可见光响应光催化纤维的制备及降解抗生素类污染物的研究

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随着现代科技及工业的不断发展,在给人们带来便捷生活的同时,也衍生出了大量的环境问题。其中,水污染问题严重威胁到了人类的健康和生态的平衡。受污染的水体中含有大量有机污染物,特别是一些新型污染物如药物、抗生素、氯代芳香族化合物等,这些污染物的特点是浓度低、毒性大,采用常见的生物法很难将其有效去除,会严重破坏水生态环境,已成为国际环境污染治理领域最前沿的研究方向之一。其中,磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺喹噁啉、盐酸四环素(TC)等抗生素类污染物在个体治疗以及畜牧水产养殖方面的滥用使其造成的环境污染问题尤为严重,因此,设计一种有效处理水体中抗生素污染物的体系具有重要的社会意义。光催化作为一种环境友好、价格低廉、催化效率高的有机污染物降解方法已经成为了近年来的一个研究热点。目前被广泛研究的光催化剂有二氧化钛(TiO2)、二硫化钼(MoS2)、钨酸铋(Bi2WO6)以及一些复合光催化剂等。相比较于这些光催化剂,石墨相氮化碳(g-C3N4)制备简便,具有更窄的带隙和优异的光催化性能,是一种具有可见光响应的有机半导体光催化剂。但粉体催化剂存在易团聚沉降,难回收等缺点,因而设计一种可见光响应的负载型催化材料有利用推动催化剂在环境治理方面的应用。本文通过热解法制备得到g-C3N4粉末,选择低熔点皮芯复合聚酯纤维(LMPET)作为载体,利用皮层聚酯的热粘性实现g-C3N4粉末在低熔点皮芯聚酯纤维的牢固负载,制备得到无纺布催化材料g-C3N4@LMPET。扫描电镜(SEM)、超景深三维显微镜等分析发现g-C3N4@LMPET-140是一个纤维三维无规穿插的网络结构,g-C3N4颗粒均匀分散并牢固镶嵌于纤维表面,根据有机元素分析结果计算得到g-C3N4@LMPET-140中g-C3N4的负载量为3.25%。论文以SDZ作为模型污染物,研究g-C3N4@LMPET-140在模拟太阳光驱动下的光催化性能。结果表明,该催化体系具有较好的光催化活性和循环使用性,能够有效催化降解SDZ等多种抗生素污染物,实际水体背景下该体系仍能够高效催化降解SDZ。另外,通过自由基捕获实验和电子顺磁共振(EPR)波谱分析了该体系的催化机理,发现该催化体系中·O2为主要的活性种。论文通过超高效液相色谱与高分辨质谱联用(UPLC-HDMS)分析了SDZ可能的降解历程,研究了不同pH值条件下SDZ降解过程中可能的键断裂位置及其对应的氧化机理。水流冲击以及光照前后的强力测试结果表明g-C3N4@LMPET-140具有较好的水流渗透性以及结构稳定性。为了进一步提高该催化材料表面在水环境中的质量传递,解决单一聚酯载体材料亲水性差的问题,我们在体系中引入了粘胶纤维。将粘胶纤维以20%的比例混入LMPET,制备得到LMP/V20,通过相同的负载方法制备得到g-C3N4@LMP/V20。SEM、红外、紫外、可见漫反射等表征发现该负载体系中存在LMPET和粘胶纤维,并且LMPET表面均匀分散并牢固负载g-C3N4颗粒。根据有机元素分析结果计算得到g-C3N4在体系中的负载量为1.90%。论文选用TC作为模型污染物研究g-C3N4@LMP/V20体系的光催化性能,研究发现,模拟太阳光下g-C3N4@LMP/V20降解TC的效率相较于g-C3N4@LMPET明显提高,pH 7的条件下2小时TC的降解率达到100%。自由基捕获实验以及EPR实验测定,·O2是主要的活性种。通过UPLC-HDMS测试分析了TC降解过程中产生的中间产物,结果表明该光催化体系下TC能够有效的发生降解,并最终开环形成可生物降解的小分子酸。本研究为设计一种简便高效的催化剂负载提供了新思路,同时本论文制备的催化材料具有优异的光催化活性、力学强度和负载稳定性,为光催化降解治理自然水体污染提供了新方法。
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