多孔g-C3N4基可见光催化剂的制备及降解水中TCH和MB的研究

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现代化进程中制药、印染、化工等行业的飞速推进,产生了大量的难降解有机废水,开发水中难降解有机物深度削减技术,高效处理此类有害废水,意义重大。光催化技术利用太阳光实现对难降解有机物的降解甚至矿化,在水净化领域极具应用前景。本文选取常见制药废水和染料废水中的盐酸四环素(TCH)、亚甲基蓝(MB)两种污染物为难降解有机物代表,采用光催化降解技术对两者进行高效处理。尽管光催化技术在难降解废水处理中的研究非常多,但该技术仍然存在可见光利用不充分、光致载流子易复合、复合光催化剂纳米粒子易脱落等问题,本文制备了一种新型多孔石墨相氮化碳(多孔g-C3N4)基体,利用其孔洞边缘丰富的氨基辅助锚固过渡金属纳米半导体材料,形成异质结构,既提升半导体纳米粒子的牢固度,也改善了多孔g-C3N4的可见光催化性能。进一步对多孔g-C3N4基复合材料的降解性能、机理和应用进行探究,得到以下结果。以双氰胺为原料,通过无模板水热法合成多孔g-C3N4,将半导体纳米颗粒负载在多孔g-C3N4基体上,构造异质结构。其中以多孔g-C3N4和Cd S质量比1:2合成的复合材料Cd S/g-C3N4-2光催化性能最佳,60 min内,对TCH降解率为81.46%,180 min内,对MB的降解率85.30%。对复合材料Cd S/g-C3N4-2表征,其比表面积为140 m~2/g,是多孔g-C3N4的3倍、普通g-C3N4的近14倍。此外Cd S/g-C3N4-2复合材料相对于多孔g-C3N4光吸收由525 nm拓宽到了620 nm,荧光强度也显著降低,表明复合材料具有更广阔的光吸收范围以及更高效的光生载流子分离效率。利用单因素实验探究多孔g-C3N4基光催化剂降解体系内污染物的具体影响因素。结果表明催化剂投加量以0.2 g/L更适宜;复合光催化剂更适用于处理中性偏碱性的废水;常见阴离子HCO3-、Cl-、NO3-和腐殖酸(HA)对光催化降解的影响非常小(降解率变化幅度在2%以内)。循环降解实验结果表明复合光催化剂具有较高的物理与化学稳定性,循环5次后其降解率仍能保持70%以上。可以看出多孔g-C3N4基复合材料能够适应复杂的环境条件,在应用中具有巨大潜力。探究多孔g-C3N4基复合材料的降解机制,结果表明光催化降解体系内主要活性基团为超氧自由基(·O2-)和空穴(h+),两种强氧化性物质将污染物结构逐步破坏,最后生成无毒无害的小分子物质,3 h后体系矿化水平约为20%。另外多孔g-C3N4基粉末材料难回收,会光腐蚀,本实验将其负载于石墨烯气凝胶载体上改善这两个问题,进一步设计反应装置进行流动废水降解实验,反应体系连续降解20 h能保持稳定的、较高的降解率,表明多孔g-C3N4复合光催化剂在去除难降解有机物方面具有较大的应用潜力。
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