苯甲酸修饰氮化碳/Ti-MOF复合材料对染料废水的吸附协同光催化降解研究

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如今,由于持续的人口增长和工业生产,大量有毒有害的污染物被排放,已成为许多国家严重的环境问题。随着印染工业的迅猛发展,染料废水已成为水体中几种最主要的污染源之一。目前世界染料年产量约为(8~9)×10~5t,我国是纺织品生产和加工大国,纺织品出口额已多年来列居世界首位,每年的染料生产量高达1.5×10~5t。大量的残留染料不可避免地被排入水体,严重污染了河水、海水、地下水甚至饮用水。染料及中间体废水处理一直是环境治理难题,其中一些稳定性较高的染料如龙胆紫很难通过简单的物理化学方法或生物法处理降解。为了有效解决废水中染料所带来的环境问题,光催化技术以其环保、高效降解的优势成为环境治理领域中的研究热点。其中光催化剂g-C3N4因合成方法简单、原料丰富、催化活性较高等优势,使得它得到广泛的应用。本研究以g-C3N4为基础,通过与Ti-MOF结合的方式来对光催化剂进行了改性。因此,本课题研究的具体工作内容如下:第一,先是以硫脲作为前驱体,高温煅烧两次得到g-C3N4薄片,接着对g-C3N4薄片进行苯甲酸功能化得到CNB,然后通过水热反应的方式将单体CNB加入到另一单体Ti-MOF的合成过程当中,得到了一系列CNB/NH2-MIL-125复合光催化剂。为了测得CNBM异质结的光催化性能,我们这里采用染料龙胆紫作为污染物进行实验,实验结果显示复合物CNBM的降解能力明显优于CNB、NH2-MIL-125(Ti)两种单体,其中10wt%CNBM的光催化降解能力最强,仅仅60min就能对龙胆紫去除98.5%。另外,通过一阶动力学模型对光催化降解实验进行了更加详细的研究,结果显示10wt%CNBM的一阶速率常数是0.04567min-1,分别是苯甲酸功能化g-C3N4和NH2-MIL-125两单体的30.05、21.54倍;另外我们还采用了自由基捕获实验研究在整个实验过程中是何种活性物质起主要作用,结果显示在龙胆紫被降解的过程当中,主要由超氧自由基发挥作用。第二,采用X射线衍射(XRD)、傅立叶转换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)等很多种表征方法来挖掘CNBM复合光催化剂降解染料的机理,分析结果显示NH2-MIL-125材料比表面积大,并且在复合光催化剂中CNB片层状颗粒物分散在了NH2-MIL-125的表面,这都使得CNBM复合光催化剂的表面结构更有利于染料的吸附;另外,与CNB和NH2-MIL-125两个单体相比,10wt%CNBM的最大吸收波长出现了红移,而且CNBM的荧光强度比单体CNB低,其中10wt%CNBM又是复合物当中最低的,这显示了制出来的异质结对太阳光的吸收能力变强,同时也对光生载流子的分离能力有所提高。第三,在能带理论的基础上,计算出来CNB、NH2-MIL-125两个单体的导带和价带,通过分析自由基捕获实验和电子自旋共振ESR实验的结果来探究龙胆紫的降解路径以及可能出现的中间产物。
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