g-C3N4基复合材料的设计合成及光催化降解黄药的研究

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黄药类捕收剂是处理硫化矿最有效、使用量最大的浮选药剂之一,因此广泛的应用于硫化矿选矿厂,导致硫化矿浮选废水中存在一定量黄药捕收剂。然而即使低浓度黄药废水也会散发出恶臭气味;若黄药废水进入到河流中将严重影响水生动植物正常的生理活动,危害周边生态环境和人体健康。传统的黄药废水治理方法存在成本高、净化所需时间长、易产生二次污染等缺点。而光催化技术具有高效节能、绿色无污染等优点,因此将光催化技术应用于浮选废水的治理具有重要的理论价值与实际应用意义。本文采用光催化技术处理黄药废水。首先采用空气氧化蚀刻法制备了二维g-C3N4纳米片,利用纳米片边缘存在的缺陷具有高反应活性的特点,分别构筑了Ni Fe-LDH@Fe3O4@g-C3N4(记为LFCN)和Fe2O3@TiO2@g-C3N4(记为FTCN)复合光催化剂。通过g-C3N4纳米片与金属半导体耦合形成易于光生激子分离和传输的异质结;通过能级匹配作用,实现光生载流子的逐级传递,减少光生激子的复合机率;揭示了复合光催化材料的形貌结构与能带结构对光催化活性的影响;系统研究了复合光催化剂降解黄药光催化活性及稳定性;详细分析了复合光催化材料的黄药降解机理。具体研究内容及结果如下:(1)以增加反应活性位点、提高量子效率为出发点,通过Fe3O4、Ni Fe-LDH、g-C3N4三者耦合形成片层相互镶嵌的花状异质结结构LFCN复合光催化剂。通过改变前驱液铁与镍的总摩尔量调控了LFCN光催化剂能带结构;通过Fe3O4、Ni Fe-LDH、g-C3N4三者能级匹配作用,实现了电子逐级传输,减少光生激子的复合机率;通过降解乙基钠黄药溶液评价LFCN光催化性能,其中镍铁总摩尔量为3 mmol时合成的光催化剂(记为3 LFCN)降解乙基钠黄药性能最佳;通过考察黄药初始浓度、溶液pH等因素得到乙基钠黄药降解最佳试验条件:初始浓度为50 mg/L、pH=6、光催化剂用量为20 mg、可见光催化反应5 h条件下,3 LFCN对乙基钠黄药的降解率为94.7%。(2)拓宽光谱响应范围、提高光生载流子分离与迁移效率为出发点,通过Fe2O3、TiO2与g-C3N4三者耦合制备片层与颗粒复合光催化剂。通过改变TiO2与g-C3N4质量比调控了FTCN光催化剂能带结构,拓宽了光谱响应范围。通过上述三种半导体间能级匹配优化了光生电子传输路径,实现了电子逐级传输,光提高生激子的分离与传输效率;通过降解乙基钠黄药溶液评价FTCN光催化活性及稳定性,其中质量比(g-C3N4/TiO2=5%/95%)时制备的光催化剂(记为5FTCN)具有最佳光催化性能;通过考察乙基钠黄药初始浓度、溶液pH等因素得到降解最佳试验条件:黄药初始浓度为50 mg/L、pH=7、光催化剂用量为20 mg、可见光降解100 min条件下,对乙基钠黄药的降解率为98.33%。
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