BiOBr和WO3/BiOBr的制备及其可见光催化降解抗生素的研究

摘要

抗生素作为一大类药品，被广泛用于医疗行业、农业、畜牧业、养殖业等领域。由于抗生素的广泛应用，在生产与生活废水中都不同程度地含有抗生素类药物。用传统污水处理方法不能有效地去除抗生素，因此能频繁地在世界各地的湖泊、河流、海湾中检测到抗生素类药物。水中的抗生素会导致水环境中耐受致病菌以及抗药基因的大量增加，从而会威胁到生态平衡与人体健康。如何去除水中的抗生素已成为一个亟待解决的问题。光催化法作为一种高级氧化法可以有效地去除水中的抗生素，具有反应条件温和、操作简便、可重复利用、经济高效、不易造成二次污染等优点。相较于传统的光催化剂，可见光光催化剂可以对可见光响应，并可以利用太阳光对污染物进行催化降解，节约成本。本文主要通过溶剂热法合成了BiOBr和WO3/BiOBr可见光响应型光催化剂，并对所制备的材料进行了表征与分析；分别对BiOBr在可见光下降解盐酸四环素、WO3/BiOBr在可见光下降解盐酸环丙沙星的光催化活性和降解机理进行了实验和理论探讨。主要得到如下结论：
　　1、利用溶剂热法成功合成了BiOBr光催化剂，表征结果发现，所用溶剂种类对其形貌影响较大，当以乙二醇甲醚作为溶剂时合成出的BiOBr为微球型，而溶剂为乙醇时合成出的BiOBr呈片状。其中，BiOBr微球的比表面积是BiOBr片的3.85倍；虽然溶剂的不同会使BiOBr的形貌改变，但两者的晶体结构基本相同、禁带宽度几乎都在2.6 eV左右，没有明显差异。
　　2、分别用BiOBr微球和BiOBr片在可见光下降解盐酸四环素，实验结果表明， BiOBr微球对盐酸四环素光催化反应240 min的去除率可以达到99.5％，而BiOBr片光催化剂240min内对盐酸四环素的去除率只有25%左右。BiOBr微球比BiOBr片的光催化活性更高，这可能主要是微球的比表面积更大，从而具有更多的吸附和反应位点所致。
　　3、利用单因素实验和响应曲面法对BiOBr微球可见光催化降解盐酸四环素的体系进行了优化，最终优化条件为：BiOBr微球投加量为654.79 mg/L,四环素初始浓度为10 mg/L，pH为7；在优化条件下光催化反应120 min，水中盐酸四环素的去除率可达94%左右。
　　4、利用溶剂热法成功制备了WO3/BiOBr复合光催化剂。表征分析结果为：WO3/BiOBr的禁带宽度在2.71 eV左右，而BiOBr的禁带宽度（约为2.90 eV）要比WO3/BiOBr的大。荧光光谱分析表明，WO3/BiOBr光生空穴电子分离能力要强于单独的BiOBr或WO3。在比表面积测试中，发现WO3/BiOBr复合光催化剂的比表面积是WO3比表面积的4倍左右。
　　5、利用WO3/BiOBr、BiOBr、WO3在可见光下降解盐酸环丙沙星，实验结果表明，120 min内，WO3/BiOBr复合光催化剂对盐酸环丙沙星的去除率可以达到83.1%，而在相同条件下，单独的BiOBr和WO3对盐酸环丙沙星的去除率仅为70%和20%，复合材料催化性能要优于单一的光催化剂。这可能是复合材料的能带结构、较大的比表面积以及更好的光生电子空穴分离效率所致。
　　6、利用单因素实验对WO3/BiOBr复合光催化剂在可见光下催化降解盐酸环丙沙星的体系进行了优化。发现当初始浓度为15 mg/L、投加量为500 mg/L、pH为8.5时，120 min内体系中盐酸环丙沙星的去除率可达96.62%，在偏碱性条件下光催化效率较高。
　　7、通过自由基捕获实验可以发现，BiOBr微球在降解盐酸四环素过程中起主要作用的活性自由基为超氧自由基（O2.-），同时空穴（h+）也起到了一定的作用。WO3/BiOBr复合光催化剂在降解盐酸四环素过程中起主要作用的活性自由基为超氧自由基（O2.-）。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 水环境中抗生素污染及处理现状

1.2 可见光催化剂的研究进展

1.3 铋系光催化剂的研究进展

1.4 研究目的及内容

第2章 光催化剂的制备与表征分析

2.1 实验材料与仪器

2.2 BiOBr的制备与表征分析

2.3 WO3/BiOBr的制备与表征分析

2.4 小结

第3章 BiOBr光催化降解盐酸四环素的研究

3.1 实验材料与方法

3.2 BiOBr光催化降解盐酸四环素性能研究

3.3 光催化降解盐酸四环素机理的研究

3.4 小结

第4章 WO3/BiOBr光催化降解盐酸环丙沙星的研究

4.1 实验材料与方法

4.2 WO3/BiOBr光催化降解盐酸环丙沙星性能研究

4.3 光催化降解盐酸环丙沙星机理的研究

4.4 小结

第5章 结论、创新点与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文