Bi2WO6/生物炭基复合光催化剂的制备及对水中抗生素的降解去除

作     者：汪子润 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢晓芸;崔娇娇

授予年度：2021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）] 081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：Bi2WO6 生物炭 光催化 抗生素 壳聚糖凝胶小球 

摘      要：抗生素在全球各类水体中被广泛检出,对人类健康和生态系统稳定造成潜在威胁。光催化技术通过反应过程中产生的大量活性自由基可实现抗生素的矿化,具有高效、稳定、反应条件温和等优势。BiWO是铋系材料中性能良好的可见光响应型光催化剂。然而,纯BiWO难以捕获波长大于450 nm的可见光,且光生电子-空穴对易复合。为在可见光下获得更高的催化活性,本论文将BiWO与价廉易得的生物炭复合,利用生物炭的吸光性能和良好的传递电子能力,构建了4种高效的BiWO/生物炭基复合光催化剂,在50 W可见光LED节能灯下降解水中典型抗生素,并结合不同表征手段分析材料的形貌、化学组成、光学特性和能带结构,探讨了复合光催化剂的光催化活性和实际应用潜力。本论文的主要研究内容及结论如下:(1)通过一步水热法制备了花状BiWO/生物炭基磁性光催化剂(BiWO/FeO/rBC)。FeO与芦苇秸秆生物炭(rBC)的引入扩大了BiWO的光响应范围,促进了光生电子的转移。相比于BiWO和BiWO/FeO,BiWO/FeO/rBC表现出最佳的光催化活性。LED光源照射30 min时,其对水中氧氟沙星(OFL)和环丙沙星(CIP)的去除率分别为99.85%和96.77%。延长反应时间至60 min,OFL和CIP溶液的TOC去除率分别高达83.05%和91.51%。OFL和CIP降解过程中,活性物种的作用顺序均为·Oh·OH。Cl、SO、NO共存对两种抗生素的降解表现为抑制作用。BiWO/FeO/rBC在5次循环再生实验中对OFL和CIP均保持了较为稳定的光降解性能。高分辨质谱结果表明羟基化和环裂解为两种氟喹诺酮类抗生素的主要降解途径。大肠杆菌抑菌圈实验表明,OFL和CIP的降解中间产物毒性小于其母体。(2)以溶剂热法将BiWO超薄纳米片(BWO)和块状TiO复合,构建BWO/TiO异质结。为对比不同炭化过程制备的生物炭的性能差异,将BWO/TiO异质结分别与马铃薯秸秆热解炭(pBC)和水热炭(p HC)复合,合成2种新型异质结光催化剂(BWO/TiO/pBC和BWO/TiO/p HC)。实验表明,后者的光催化活性相对较强,60 min的光反应时间内,BWO/TiO/pBC和BWO/TiO/p HC对磺胺噻唑(STZ)的去除率分别为83.79%和99.59%。·O对STZ的降解起主要作用。不同生物炭的引入使光生电子的转移路径发生了不同改变。光照下,pBC通过传递电子促进了反应体系中·OH和O的生成,而p HC表面含氧官能团与光生电子发生反应,使得BWO/TiO/p HC产生了更多的·O。BWO/TiO/pBC和BWO/TiO/p HC受p H影响较大,随着p H的升高,两者的光催化活性显著提高。相比于超纯水体系,两者均在实际水体(污水处理厂二级出水、黄河水和自来水)中表现出更为优越的光降解性能。(3)通过壳聚糖将BiWO微球(BWO)、FeO颗粒与玉米秸秆生物炭(cBC)紧密结合,以碱性共沉淀法制备了BWO/FeO@cBC壳聚糖凝胶小球。FeO与cBC的引入,促进了光生电子通过多途径转移,提高了光催化活性。在静态水体中,BWO/FeO@cBC小球对OFL的去除率为96.38%。在动态水体中,以连续流和序批式模式处理500 m L 10 mg L的OFL溶液,分别达到98.48%和87.06%的去除率。静态水体循环再生实验结果表明,BWO/FeO@cBC小球对OFL的光降解性能随着循环次数的增加而降低,经5次循环反应之后,其去除率下降至62.89%。在实际水体(给水系统)实验中,经475 min连续流反应,在自来水和黄河水配水中可分别去除78.49%和72.33%的OFL,TOC去除率分别达64.04%和24.68%。