P-TiO2/g-C3N4复合光催化材料降解抗生素性能研究

来源 :贵州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chm200630990203
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我国是世界上第一大抗生素使用国,然而抗生素大约只有10-20%被生物体代谢,而未被代谢的部分则直接或间接排入水环境中。因此,如何有效去除残留抗生素已成为生命健康和环境保护的研究热点。光催化降解抗生素的显著优势在于稳定性高、成本低、氧化性强和降解效率高等,在环境治理和修复方面引起了广泛的关注。本文选择四环素和磺胺类抗生素为对象。以提高光催化降解抗生素为目的,成功制备磷负载二氧化钛(P-TiO2)和石墨相氮化碳复合磷化二氧化钛复合材料(P-TiO2/g-C3N4),借助多种表征方法,分析和探讨光催化材料降解抗生素机理以及影响抗生素光催化降解因素(p H、催化材料使用量、抗生素初始浓度等),为更深入研究光催化降解抗生素提供参考和建议。主要研究结论如下:(1)采用中性胺溶胶-凝胶技术制备磷负载二氧化钛光催化材料(P-TiO2),并采用BET、SEM、TEM、XRD和XPS等技术对其进行表征分析。磷的掺杂使其具有较大的比表面积和较多的活性位点,对四环素有很好的去除效果(99.16%),但是对磺胺类抗生素的光催化降解效果不佳(50%左右)。猝灭实验表明光生e-是反应体系中主要参与光催化反应的活性物质。同时,回收实验表明,该光催化剂具有良好的稳定性,三次循环试验后5P-TiO2对四环素的降解效果保持在98%以上。利用响应面分析方法(RSM)对四环素的光催化降解进行优化设计分析,通过中心组实验(CCD)设计,选取了6个关键操作参数,研究了它们之间的相互关系。基于实验数据和方差分析,“Prob>F”、R~2和F值分别为0.0082、0.9692和7.87,说明模型是显著的,预测值与实际值的良好相关性为模型提供了可信度。当在最优的条件下(P-TiO2=17.45 wt%、光催化材料浓度=1.00 g·L-1、辐照时间=40.39min、光照强度=5 A、p H=7、四环素浓度=29.93 mg·L-1),四环素的光催化降解率为99.16%,与预测值(100%)较符合;此外,通过GC-MS分析验证了四环素降解的中间体主要为链状和环状,并提出了可能的光降解途径。(2)制备的P-TiO2对四环素表现出优异的光催化降解效果,然而对磺胺类抗生素,尤其是对四种混合磺胺类光催化降解效果较差,仅45%左右。因此需要对P-TiO2光催化材料降解性能进行更一步的改性研究。在氮气保护和煅烧为500℃条件下,采用凝胶-溶胶法法制备的P-TiO2与尿素一同煅烧2 h制备P-TiO2/g-C3N4复合光催化材料。研究发现,Z-scheme异质结的构建大大提高了电子-空穴对的分离效率,从而提高P-TiO2/g-C3N4的光催化活性。采用多种表征方法考察该异质结光催化降解磺胺类抗生素的性能。P-TiO2颗粒均匀负载在g-C3N4薄片上,DMPO-·O2–自由基检测试验、XPS能谱偏移、价带位置和活性物质猝灭实验进一步证实Z-scheme电子传输机制。当P-TiO2与g-C3N4两种材料复合形成Z-scheme异质结增加光生载流子的有效分离,从而提高其光催化降解性能。P-TiO2添加量为30mg制备的P-TiO2/g-C3N4复合光催化材料(CNPT-3)在较短的光照射时间内(30 min)对四种磺胺类抗生素都表现出较好的光催化降解效果,其中SD:99.3%、SM2:99.6%、SMM:99.1%、SMZ:99.0%。在因素影响实验中,最合适的光催化材料浓度、抗生素浓度和p H分别为400 mg/L、5 mg/L和7。通过猝灭实验证明·O2–、·OH和h+在P-TiO2/g-C3N4复合光催化材料光催化降解混合磺胺类抗生素过程中起主要作用。
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