基于Ag2O纳米纤维膜的构筑及可见光驱动下氧化As(Ⅲ)的研究

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纺织行业印染废水中的重金属污染物(如砷,As)对人类健康构成严重威胁。光催化技术可有效控制染料废水中的砷污染问题,其中Ag2O因具有较窄的禁带宽度近年来受到学者们的广泛关注。本文首先综述了氧化三价砷[As(Ⅲ)]及制备聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜的方法,随后介绍了Ti O2、Ag2O和施氏矿物(Schwertmannite)材料的研究进展。在此基础上本文提出以PAN为基材,构建Ag2O增强复合光催化材料的思路,并对氧化和去除As(Ⅲ)的性能与机理进行了系统研究。其次,通过p H诱导沉淀法制备出不同Ag2O负载量的Ag2O/Ti O2复合材料。借助XRD、TEM和XPS分析对所得材料进行组成和微结构表征,证实Ag2O均匀分散在Ti O2表面且形成了Ag2O/Ti O2异质结。动力学实验表明,p H为4.0时30%Ag2O/Ti O2光催化材料具有最优的光催化活性,可见光照射120 min后As(Ⅲ)的氧化率和去除率分别为60.70%和83.00%。抑制剂实验还证实Ag2O/Ti O2体系中氧化As(Ⅲ)的主要活性物质为h+和O2·-。为了提高粉体光催化材料的可回收利用性能,采用静电纺丝技术和p H诱导沉淀法制备出PAN@Ag-Ag2O/Ti O2(标记为PAN@ATX)纳米纤维膜。微结构表征显示PAN@ATX纳米纤维膜表面形成了Ag-Ag2O/Ti O2异质结,可促进电子-空穴对有效分离。动力学实验表明PAN@ATX可见光催化活性随着Ag-Ag2O含量的增加呈现先增加后减小的趋势,且p H=5.0时PAN@AT4对As(Ⅲ)的氧化效率最优(反应120 min后可达92.10%)。此外,PAN@AT4材料重复4次后仍可保留初始As(Ⅲ)氧化活性的81.60%,证明具有较优循环使用性能。抑制剂实验和EPR表征证实PAN@AT4体系氧化As(Ⅲ)的主要活性物质为h+和·OH。由于施氏矿物对As具有较强的吸附能力,为进一步有效去除As(Ⅲ)氧化后水环境中残留的总As,本研究采用静电纺丝技术结合p H诱导沉淀法制备出PAN@Ag-Ag2O/Sch(标记为PAN@ASX)纳米纤维膜。动力学实验表明Ag-Ag2O含量对PAN@ASX的可见光催化活性有显著影响。当p H=4.0时,PAN@AS0.10对总As的去除率最佳,反应120 min后可达90.96%。XPS分析进一步证实As主要以As(V)存在于PAN@ASX纳米纤维膜表面。此外,抑制剂实验证实PAN@AS0.10体系氧化As(Ⅲ)的主要活性物质为h+和·OH。PAN@AS0.10材料重复使用4次后仍可保留初始As(Ⅲ)氧化活性的87.20%,具有较优的循环使用性能。由此可知,本研究开发的PAN@ASX纳米纤维膜在重金属废水处理乃至环境修复领域均具有广阔的应用前景。
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