负载g-C3N4纳米纤维的制备及太阳光催化降解抗生素的研究

摘要

众所周知，抗生素被广泛应用于防治人类、畜牧的细菌感染，然而由于人们的过度依赖，导致水环境残留了各种亚致死浓度的抗生素，进而诱发了抗性细菌的滋生，给各生物的生命健康带来了严重的威胁。因此，寻求一种简单高效的方法用于治理水环境中的抗生素是迫切希望的。
　　目前，光催化法被认为是一种简单高效地降解有机污染物的方法之一。其中，在众多的光催化剂中，石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种非金属、共轭的聚合物半导体，是最稳定的C、N同素异形体。由于其具有突出的热、化学稳定性和可见光响应等优势而被广泛应用于光合成、裂解水、光催化降解污染物等各领域。然而其在实际应用过程中易团聚沉降且难以回收，因此，受负载型催化剂的启发，利用纳米纤维对其进行负载以提高g-C3N4的分散性、重复使用性和稳定性，并用于抗生素的降解中。
　　因此本文利用静电纺丝将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和g-C3N4进行混纺，再通过碱处理将包埋在PET纤维内部的g-C3N4重新暴露在纤维表面，形成一种嵌入式的结构，得到具有更多活性位点的T-g-C3N4/PET纳米纤维。通过FESEM、TEM、BET、FTIR、2D-XRD等一系列表征分析该催化纤维的形貌及组成成分，证明了这一嵌入式结构，即g-C3N4已经被成功地负载于PET纳米纤维上了。同时，选用磺胺喹恶啉为主要的模型抗生素，通过太阳光驱动催化纤维降解磺胺喹恶林及其他抗生素，结果表明该催化纤维具有高的催化活性和重复使用性，且在复杂环境下其活性几乎不受影响。还通过自由基捕获实验及EPR测试分析了催化反应过程中可能产生的活性种，并提出了可能的催化降解机理，在该催化反应过程中，·O2-是主要的活性自由基，在降解抗生素的过程中发挥主要的作用。此外，还利用高效液相色谱-质谱联用仪分析磺胺喹恶啉降解的产物及历程，磺胺喹恶啉逐步地被降解为可生物降解的小分子酸。
　　为了进一步地获得更简单可控、绿色环保且具有一定普适性的负载方法，因此，在之前工作的基础上，引入了致孔剂聚乙二醇(PEG)，通过静电纺丝将PEG、PET和g-C3N4进行混纺，再通过水浴处理将纤维中的PEG去除，从而得到具有更多活性位点的、内表面多孔的g-C3N4@PET纳米纤维。利用FESEM、TEM、BET、TG、FTIR、2D-XRD等手段证明已经成功地将g-C3N4负载于内、表面多孔的PET纳米纤维中了，这不仅创造了更多地活性位点，还有利于反应物和活性位点的接触、促进了对光的吸收和物质传递。同样地，利用太阳光驱动g-C3N4@PET降解磺胺喹恶林及其他抗生素，结果表明该催化纤维具有高的催化活性和重复使用性，且在复杂环境下其活性几乎不受影响。另外，通过自由基捕获实验和EPR测试证明:在该催化反应过程中，·O2-是主要的活性自由基，从而导致抗生素得以降解。以上两种方法均能获得具有更多活性位点的负载型纳米纤维，而且具有高效降解抗生素、高的重复使用性能。希望本文的制备方法能为负载型催化剂的设计提供具有一定普适性的新思路和新方法。

目录

论文说明

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 水环境中抗生素的来源及种类

1．3 水环境中抗生素的处理现状

1．3．1 吸附法

1．3．2 生物处理法

1．3．3 氯化法

1．3．4 高级氧化技术(AOPs)

1．3．5 光催化氧化法

1．4 石墨相氮化碳(g-C3N4)的研究现状

1．4．1 g-C3N4光催化剂的改性

1．4．2 负载型g-C3N4光催化剂的研究现状

1．5 载体聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的特点

1．6．1 静电纺丝技术原理

1．6．2 多孔纳米纤维的研究现状

1．7．1 课题的提出背景

1．7．2 课题研究内容

第二章 T-g-C3N4／PET的制备及光催化性能的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料及仪器

2．2．2 T-g-C3N4／PET催化剂的制备

2．2．3 T-g-C3N4／PET催化剂的表征

2．2．4 T-g-C3N4／PET的光催化性能测试

2．2．5 机理测试

2．2．6 SQX降解的中间产物及最终产物检测

2．3 结果与讨论

2．3．1 催化剂的表征分析

2．3．2 T-g-C3N4／PET催化降解磺胺喹恶啉(SQX)的性能研究

2．3．3 T-g-C3N4／PET光催化降解磺胺喹恶啉(SQX)的影响因素

2．3．4 T-g-C3N4／PET的重复使用性和稳定性研究

2．3．5 T-g-C3N4／PET对其他抗生素的光催化降解

2．3．6 T-g-C3N4／PET光催化降解SQX的机理研究

2．3．7 SQX降解产物及历程分析

2．4 小结

第三章 g-C3N4@PET的制备及光催化性能的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料及仪器

3．2．2 g-C3N4@PET催化剂的制备

3．2．3 g-C3N4@PET催化剂的表征

3．2．4 机理测试

3．2．5 SQX降解的中间产物及最终产物检测

3．3 结果与讨论

3．3．1 催化剂的表征分析

3．3．2 g-C3N4@PET催化降解磺胺喹恶啉(SQX)的性能研究

3．3．3 g-C3N4@PET光催化降解磺胺喹恶啉(SQX)的影响因素

3．3．4 g-C3N4@PET的重复使用性及稳定性研究

3．3．5 g-C3N4@PET对其他抗生素的光催化降解

3．3．6 g-C3N4@PET光催化降解SQX的机理研究

3．3．7 SQX降解产物及历程分析

3．4 小结

第四章 结论

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢