改性凹凸棒土的制备及其对水环境中四环素的去除研究

作     者：马茜茜 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王小治

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：凹凸棒土 煅烧改性 光催化剂 过硫酸盐 协同作用 四环素 

摘      要：近年来,由于医药行业、养殖业等行业中抗生素的大量使用或滥用,我国的四环素类抗生素污染问题日益严重。其中,使用的四环素只有一小部分在体内被代谢或吸收,而绝大部分以未改变的形式在排泄物中释放,造成水体污染,增加环境生态风险,给人类健康带来了一定的危害。目前主要去除四环素的两种方法(吸附法和生物法)都有其局限,去除效果不理想。凹凸棒土是一种层链状含水富镁硅酸盐的粘土矿物,其晶体颗粒非常细小,只有几十纳米,同时,结构中有着丰富的纳米级孔道,具有很大的比表面积。特殊的表观结构和较大的比表面积使凹凸棒土具有较强的吸附性能。本文旨在对凹凸棒土进行改性,通过热改性提高其自身的吸附性能,或将其作为载体与BiFeO3、Fe3O4结合制备复合催化材料,研究其对水溶液中四环素的去除效果。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱分析、热重、紫外-可见漫反射光谱等对改性前后的材料进行表征分析,探讨其相关机理。本论文的主要研究内容和结果如下:(1)通过煅烧的方法提高凹凸棒土(ATP)对四环素(TC)的吸附性能,并用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),热重分析(TGA)以及CHNS元素分析等表征手段系统地研究其循环吸附机理。实验结果表明,煅烧改性可提高凹凸棒土对四环素的吸附效果,400℃的改性效果最佳。此外,在经过多次煅烧再利用的循环后,虽然凹凸棒土中的碳含量有所增加,但其对四环素的吸附率仍保持在93%以上,表明热改性凹凸棒土在废水处理中具有潜在的实际应用价值。(2)通过水热法实现对铁酸铋(BiFeO3)形貌的调控,并成功地将凹凸棒土(ATP)与铁酸铋(BiFeO3)进行复合,制备出高效复合光催化剂ATP/BiFeO3。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis)等对光催化剂进行表征,并研究AP/BiFeO3对四环素(TC)的光催化降解效果,提出了可能的光催化机理。实验结果表明,ATP的掺杂量对TC的去除有明显的影响,当ATP:BiFeO3=1:10时,ATP/BiFeO3对TC的去除率高达82.4%。ATP与BiFeO3的协同作用使得复合材料对TC的光催化降解活性显著提高。(3)为了获得高效的催化材料,本实验通过共沉淀法将四氧化三铁(Fe3O4)纳米粒子负载于凹凸棒土(ATP)上,成功制备出同时具备吸附与催化性能的非均相芬顿催化剂ATP@Fe3O4。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、磁化曲线(VSM)等对复合材料进行表征,并研究了其对催化过硫酸盐(PS)降解四环素(TC)的效果。实验结果表明:ATP@Fe3O4复合材料是活化过硫酸盐(PS)生成硫酸根自由基(SO4·-)强有力的催化剂,并且ATP@Fe3O4/PS体系显示出良好的去除水溶液中四环素的能力。当PS浓度为10 mM、催化剂投料量为1.5 g/L、四环素溶液pH为3.9时,ATP@Fe3O4/PS体系去除四环素的效果最佳。