FeS2/g-C3N4降解盐酸四环素的性能与机理研究

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四环素是全球第二大常用抗生素,在水环境中的残留情况引起了广泛关注,对生态环境以及人类健康造成了严重影响。传统处理方法中,四环素的生物毒性使生化法降解效率不佳,其中厌氧生化预处理的去除率约45%,物化法中吸附法的去除率达90%-100%,但并未实现四环素的真正降解。与此相比,光催化氧化法操作简单、成本低廉、降解效果良好,在处理四环素废水中具有良好的应用前景。在新型半导体中,石墨相氮化碳(g-C3N4)带隙宽度适中(约2.70 eV),具有环境友好性、良好的热稳定性和化学稳定性。FeS2作为过渡金属二卤化物的典型代表,带隙宽度约为0.95 eV,吸光度高(α=6×105 cm-1),具有良好的电化学、光学和磁性特征。将FeS2与g-C3N4结合制备异质结材料,能够提高吸光度、扩大光吸收范围、改善g-C3N4光生电子空穴易重组及FeS2在溶液中易于团聚的缺陷,实现在可见光下对盐酸四环素的高效去除。本研究使用水热法制备FeS2,高温煅烧法制备g-C3N4,使用超声波浴和高温煅烧法将二者复合制备异质结材料,为抗生素类废水处理提供了一种新型催化剂,促进其在水处理领域中的应用。通过X射线衍射光谱(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、傅氏转换红外线光谱(FT-IR)及X射线光电子能谱(XPS)对复合材料的组成结构以及形貌特征进行分析。通过漫反射光谱(DRS)、光致发光光谱(PL)以及光电流响应曲线(I-t curve)对复合材料的光学性能进行研究。通过对不同比例复合材料的降解率、制备成本及金属溶出量进行对比,选择20%FeS2/g-C3N4为研究对象,建立20%FeS2/g-C3N4/H2O2体系降解盐酸四环素,通过活性氧物质鉴别、TOC降解、气质联用GC-MS分析、大肠杆菌抑菌、重复材料表征等试验探究盐酸四环素的降解机理、降解产物及抑菌性。通过催化剂投加量、氧化剂投加量及光照强度的影响研究优化20%FeS2/g-C3N4/H2O2体系的工艺参数。通过初始pH、温度、水中无机阴离子及天然有机物的影响研究考察20%FeS2/g-C3N4/H2O2体系的实际应用性。FeS2/g-C3N4复合材料为Ⅰ型异质结材料,能够增强g-C3N4的吸光度,降低光生电子空穴重组率,改善FeS2在溶液中易团聚的缺陷。在50 W的可见光照下(T=25℃),通过投加0.50 g/L 20%FeS2/g-C3N4、50.0 mM H2O2建立20%FeS2/g-C3N4/H2O2体系降解0.05 g/L的盐酸四环素溶液,30分钟内盐酸四环素的去除率为87.0%,是未改性g-C3N4的9.56倍,是未改性FeS2的1.15倍,是黑暗条件下的1.11倍。20%FeS2/g-C3N4复合材料在I型异质结和肖特势垒的共同作用下,延长了载流子的寿命,光生电子(e-)、空穴(h+)与体系中产生的羟基自由基(·OH)、单线态氧(1O2)、超氧阴离子(O2·-)共同完成盐酸四环素的降解,其中·OH的贡献率达61.43%。盐酸四环素中的苯环结构开环且中心碳链裂解,60分钟的矿化率为42.5%,降解产物的抑菌性明显降低。该体系反应活化能为28.24k J/mol,具有较广的pH适用范围,受水体无机阴离子及天然有机物的影响较小。20%FeS2/g-C3N4/H2O2体系对盐酸四环素降解并未受到水体复杂环境的严重影响,且对甲基橙及双酚A具备良好的降解效果。FeS2/g-C3N4复合材料易于制备且成本低廉,能够在较短时间内实现水中有机污染物的高效降解,受水体复杂环境影响较小且具备一定的广泛性,有望实现在污水处理领域的实际应用。
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