Y-BiOCl可见光催化剂的构筑及降解四环素废水的性能研究

作     者：王笑竹 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张凤君

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：BiOCl Y 四环素废水 固定化 光催化反应器 

摘      要：抗生素类物质在水环境中大量残留是全世界面临的一个严峻问题,它对人类健康和水生态环境构成严重威胁。四环素是一种具有代表性的抗生素类物质,传统的生物法、物理法很难对其实现高效降解。可见光催化技术属于新型高级氧化技术的一种,具有以太阳能为能源、没有二次污染等优点,在抗生素类废水处理方面具有广阔的应用前景。新型BiOCl光催化剂作为铋系催化剂的代表性材料,具有独特的层状结构和催化剂稳定的特点,受到了研究者的青睐。然而,单一的BiOCl光催化剂具有带隙宽度过高、量子效率低等缺点,制约着BiOCl光催化剂进一步发展应用。纳米尺寸的光催化剂应用于污水处理,存在着固液分离难、催化剂回收利用效率低等问题,如何将光催化剂应用于实际污水治理,是未来亟待研究的科学问题。本文以廉价的稀土元素钇(Y)对BiOCl进行掺杂改性,制备得到具有良好可见光响应范围的Y-BiOCl催化剂。通过各种表征方法揭示了Y-BiOCl的结构特征等信息,并对其进行光催化降解四环素废水的实验研究,确定了Y元素最佳掺杂比例等工艺参数,同时探究了Y-BiOCl催化剂的光催化反应机理。最终,将Y-BiOCl催化剂负载于浮石表面,制备得到Y-BiOCl/浮石催化剂,并应用于降解四环素废水的反应器运行实验中。1.Y-BiOCl光催化剂的制备及降解四环素的性能研究。以氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑为氯源和模板剂,将Y元素与BiOCl掺杂,通过一步溶剂热法合成Y-BiOCl可见光催化剂,其最佳反应温度为140°C、反应时间为24h、Y掺杂质量比例为15wt%。通过一系列表征技术和光催化降解实验分析表明,Y-BiOCl催化剂具有中空微球结构,有着较大的比表面积(30.60m/g)。该催化剂具有较好的吸附性能和光催化活性,在30min内对浓度为50.00mg/L盐酸四环素的吸附去除率可达51.37%,在光催化反应1h内对四环素降解率达90.13%。该催化剂具有良好的稳定性,在4次循环实验后仍具有较好的光催化活性。本文探讨了Y-BiOCl催化剂光催化活性增强机理,Y元素的掺杂使Y取代Bi进入BiOCl晶格,BiOCl产生晶格畸变,从而增加缺陷点位,减少光生载流子的复合,同时Y的掺杂减小了BiOCl催化剂带隙宽度,使带隙能显著下降,增强光催化活性。在Y-BiOCl光催化降解四环素体系中,超氧自由基和羟基自由基起主导作用。2.Y-BiOCl/浮石催化剂的制备及降解四环素的性能研究。通过一步溶剂热法,成功将Y-BiOCl催化剂固定于浮石表面。Y-BiOCl/浮石催化剂具有较好的吸附性能和光催化活性,在30min内对浓度为50.00mg/L盐酸四环素的吸附去除率可达51.05%,在光催化反应1h内对四环素降解率可达92.34%。Y-BiOCl/浮石催化剂在4次循环实验后对四环素仍有较好的降解效果,证明Y-BiOCl/浮石催化剂具有较好的稳定性。3.Y-BiOCl/浮石催化剂在连续流光催化反应器中的应用。将Y-BiOCl/浮石光催化剂应用于光催化反应器,在最佳投加量为4.00g/L、光源强度为140000lux、四环素废水浓度为50.00mg/L、水力停留时间为8h的条件下,连续流反应器对四环素废水降解效率能够达到90%以上。此外,Y-BiOCl/浮石催化剂具有较好的稳定性,在连续运行72h仍能够保证对四环素废水实现较好的降解效果,为可见光催化剂处理四环素废水的应用提供了参考。