膨润土负载g-C3N4的制备及其对铬污染土壤的治理

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作为常见的一种重金属污染物,铬元素的来源相当广泛。近年来,由于不合理的开发及技术的局限性,铬污染土壤急剧增加,让环境及生物圈面临着极大的威胁。虽然目前的处理技术都有其优越性,但是还不能很好的处理铬污染土壤,因此迫切需要开发经济、有效和环保的处理技术。光催化还原处理铬污染土壤是一种前途光明的方式,其优点是价廉且无二次污染。而单一的材料(如g-C3N4、Fe3O4和膨润土)因其各自的劣势,不能同时满足当下对材料稳定、高效和廉价的需求。为满足这些要求,本论文中提出在剥离膨润土上(EB)负载g-C3N4和Fe3O4,制备出提高光还原能力的三种负载型光催化复合材料——EB/g-C3N4、EB/Fe3O4和EB/g-C3N4/Fe3O4。先利用XRD、FTIR、SEM、等方法进行表征其形貌和结构,再探究材料的光催化还原性能及探究影响光还原Cr(Ⅵ)的因素,从而获得复合材料的最佳使用范围。主要结论如下:(1)制备出的复合型光催化材料EB/g-C3N4是在剥离膨润土(EB)的基础上负载g-C3N4而成,表征结果证明:相对于纯g-C3N4而言,EB/g-C3N4的优势在于比表面积更多,光还原能力更高。在可见光下,处理铬污染土壤的实验证明,当g-C3N4负载量为60%时,EB/g-C3N4(60%)表现出最佳的光还原性能且负载型催化剂的性能都优于单一材料的性能。经过优化实验,得到EB/g-C3N4(60%)复合材料在初始Cr(Ⅵ)浓度为100 mg/kg,投加量为0.05 g,土壤p H为7.32和光照时间为300 min时,EB/g-C3N4的Cr(Ⅵ)还原效果最佳(93%)。EB/g-C3N4的光催化还原性能提升的主导因素是g-C3N4与EB的静电相互作用提升复合材料的光生电子-空穴的分离效率。(2)在把剥离膨润土作为载体的基础上,将Fe3O4负载其上制备成EB/Fe3O4复合材料。XRD和SEM的的结果表明EB和Fe3O4紧密的结合在一起,同时比表面积的增加和EB的存在减少了Fe3O4的团聚现象,提升了复合催化剂的还原性能。将其用于铬污染场地治理的实验表明:当Fe3O4的含量为30%时,EB/Fe3O4复合催化剂的性能最佳;当投加1.5 g EB/Fe3O4-30%于初始Cr(Ⅵ)浓度为100 mg/kg,土壤p H为7.32时,在250min内Cr(Ⅵ)的还原效率能达到最佳(81.89%)。5次循环实验和磁回收实验表明EB/Fe3O4-30%具有良好的磁回收循环利用性能。(3)复合光催化材料EB/g-C3N4/Fe3O4是将Fe3O4与g-C3N4同时负载于EB而形成。各表征的结果表明:相对于单一材料,由于EB/g-C3N4和Fe3O4之间接触界面良好且比表面积增大,因此在EB/g-C3N4/Fe3O4体系中光还原性能增强。在铬污染土壤的研究中,复合光催化材料在可见光照射下,当负载Fe3O4的含量为30%时,EB/g-C3N4/Fe3O4-30%表现出最优的光还原性能。光还原土壤中Cr(Ⅵ)的动力学分析表明:Cr(Ⅵ)的光还原符合Langmuir-Hinshelwood(L-H)动力学模型,相关系数(R2)为0.997。EB/g-C3N4/Fe3O4-30%复合催化剂不仅在光催化性能上表现突出,而且因Fe3O4存在,使复合催化剂的稳定性和磁回收性能有了充分的保障。EB的比表面积较大,是光催化还原性能增强主要原因,同时Fe3O4的存在使g-C3N4的电子-空穴分离效率的得到了有效控制,使得在EB/g-C3N4/Fe3O4体系中的光催化还原性能和磁回收性能达到最好状态。(4)在EB/g-C3N4、EB/Fe3O4和复合材料中,三种复合材料相对于单体都能起到良好的作用,但是在处理铬污染场地时,EB/g-C3N4/Fe3O4-30%的光催化还原性能最优,Cr(Ⅵ)的还原率达到96%左右,以此同时,其优良的磁回收性能、稳定性也为实际应用于铬污染土壤提供条件,这在环保方面做出突出成就。
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