熔盐法Ag/AgCl/CCN异质结光催化降解水中抗生素研究

作     者：杨晓涿 

作者单位：河北农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郄志红;吉欢欢;李志勇

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0817[工学-化学工程与技术] 0815[工学-水利工程] 0703[理学-化学] 

主      题：饮用水净化 光催化技术 新污染物 四环素 农村饮水安全 

摘      要：随着乡村振兴战略的不断推进,农村地区生活面貌发生了巨大改变,人们追求美好生活的热情不断高涨。当前农村供水保障水平仍需进一步提升,提升农村供水水质事关人民生命健康和群众幸福感。由于养殖业的发展,四环素等兽用抗生素大量进入各类水体,对饮水安全造成威胁。光催化技术由于其绿色、环保以及反应条件温和等优点,在饮用水难降解有机物微污染净化领域有着很好的开发应用前景。本文以石墨相氮化碳(g-C3N4)基光催化高效降解农村饮用水四环素(TC)为出发点,基于催化反应中光激发、活性自由基的生成等反应机制,以增强光催化效率为主线,开展了以下研究:(1)Ag/AgCl/CCN异质结光催化剂的制备和可见光降解四环素的研究:采用熔盐法原位合成了复合银/氯化银的高结晶态氮化碳(Ag/AgCl/CCN)催化剂。对所制备的催化剂,通过XRD、XPS、TEM等检测手段分析了催化剂的元素组成和形貌特征,结果表明Ag/AgCl/CCN三元催化剂中的各组分在材料样品中均匀分布且紧密结合,形成了良好的异质结结构。通过UV-vis DRS、EIS和瞬态光电流等检测,表明制备的Ag/AgCl/CCN催化剂具有增强的光吸收、电荷激发和分离能力。在可见光催化降解水中四环素实验中,Ag/AgCl/CCN异质结催化剂有着卓越的效果表现:在2.5 min内,四环素的降解率可达到98.8%(TC浓度10 mg/L,催化剂负荷0.5 g/L,激发光为波长大于400 nm的可见光);此外,该光催化剂还表现出良好的稳定性,循环反应5次后,对四环素的降解率为94.2%,仅降低了 4.6%。(2)Ag/AgCl/CCN光催化降解四环素机理研究:三元异质结催化剂对有机物的光催化降解反应符合一级反应动力学方程,30wt%Ag/AgCl/CCN对盐酸四环素的降解速率分别是CCN和Ag/AgCl的9.7倍和16.3倍。自由基捕获实验和电子顺磁共振(ESR)检结果表明,在Ag/AgCl/CCN可见光催化降解四环素的过程中,超氧自由基是主要的活性物质,其他的活性物质,如羟基自由基、光生空穴、光生电子、溶解氧分子和单线态氧等,对四环素的降解也有不同程度的贡献。应用LC-MS方法测定了盐酸四环素的降解产物,并分析了降解路径,证明制备的30wt%Ag/AgCl/CCN催化剂能够实现对四环素分子的顺利分解破化,最终彻底降解为小分子物质。(3)催化反应条件优化与反应器搭建和模拟:对光催化降解四环素的最佳条件以及影响因素进行了探究,包括四环素初始浓度、光催化剂投加量、pH值、初始水质等,实验结果表明:催化效果受上述因素的影响较小,且不仅对盐酸四环素有良好的降解效果,对金霉素、土霉素等四环素类抗生素的降解率也可达到92%以上。搭建了一套光催化反应装置,实际运行结果表明,对饮用水中的有机微污染物(如抗生素等)有着很好的净化效果。该反应装置的设计具有结构简单、操作方便、无需外加药剂投入等优点,可作为农村地区集中式供水系统的深度处理,也可作为净水器中的一个单元,保障饮水安全。