Ni掺杂BiVO4对废水中的四环素和环丙沙星的去除特性研究

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废水中的抗生素来源广泛,危害严重,且具有不易降解、成分复杂的特点,吸附或催化去除水体中的抗生素是相对绿色环保、成本低廉的方法。对微波水热法制备BiVO4和Ni掺杂改性BiVO4(Ni-BiVO4)材料进行了 X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、比表面积(BET)、场发射电镜(FESEM)、X射线能谱分析(DRS)和荧光光谱(PL)表征;并开展了对废水中常见的抗生素四环素和环丙沙星的吸附与催化性能研究,主要包括影响因素分析、吸附模型构建,并对去除抗生素前后的Ni-BiVO4进行对比分析,探讨Ni-BiVO4结构与后续去除抗生素性能之间的构效关系,确定Ni掺杂BiVO4去除抗生素的主要机理。本论文的主要研究结果为:(1)通过微波辅助合成的方法成功制备出BiVO4和Ni掺杂BiVO4,表征结果表明两种材料均具有单斜白钨矿晶型BiVO4的特征,相对于BiVO4,掺杂Ni后的BiVO4仍具备单斜晶体的特征衍射峰,比表面积则由未改性前的6.39 m2·g-1增大到12.49 m2·g-1,孔容及孔径均有所增大,大多数为介孔结构,红外主要吸收峰不变,特征荧光发射峰不变且荧光强度降低,说明光生电子对复合率降低,颗粒尺寸变大,形状由椭球状变为棒状,Ni的质量分数为5.08 wt.%。(2)在Ni-BiVO4去除四环素和环丙沙星的筛选实验中,Ni-BiVO4对四环素和环丙沙星具有良好的吸附效果,相对于未改性的BiVO4在吸附作用方面提高明显,但光催化作用很弱,说明过强的吸附作用反而影响光催化效率的提升。因此,Ni-BiVO4对两种抗生素的去除主要为吸附作用。(3)Ni-BiVO4吸附四环素和环丙沙星的主要影响因素研究结果为:随着投加量的增加,Ni-BiVO4对四环素和环丙沙星吸附效率先升高后逐渐趋于平缓,最佳吸附率分别为89%和82%;抗生素初始浓度逐渐增大时,Ni-BiVO4抗生素的吸附效率呈现下降趋势;四环素在pH为2~13时,吸附率先上升后下降,在4~7时达到最高,环丙沙星pH为1~8时,吸附率逐渐上升,在5~8时达最高;在低浓度Cu2+存在时,四环素和环丙沙星的吸附过程受到促进,高浓度Cu2+时,吸附过程受到抑制,对环丙沙星的吸附的抑制作用较强。(4)Ni-BiVO4对四环素和环丙沙星的吸附过程符合Langmuir吸附等温模型,说明两种抗生素在该吸附材料上的吸附过程为单分子层吸附。Ni-BiVO4对四环素和环丙沙星的吸附动力学过程符合伪二级动力学模型,说明四环素和环丙沙星在Ni-BiVO4上首先进行快速吸附,然后缓慢达到平衡。吸附影响因素、吸附模型及样品表征的结果显示Ni-BiVO4吸附抗生素的过程主要包括范德华力作用、π-π电子耦合作用及微孔固定作用。总之,本论文的研究表明Ni掺杂BiVO4可以明显提高其对抗生素的吸附效率,但如需彻底降解抗生素,则需进一步提高相应的催化活性,才可得到更为有效的BiVO4改性材料。本论文的研究可为BiVO4的掺杂改性及抗生素的去除提供技术参考。
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