N-CQDs/g-C3N4催化剂可见光下活化过硫酸盐降解废水中的四环素

摘要

随着工业化、城市化的全面推进，随之而产生的环境问题已成为当今世界面临的重大挑战之一。一系列抗生素(尤其是四环素)由于其具有高毒性、持久性、在环境中难以消除以及可生物累积等特点而引起了广泛关注。抗生素作为一类较难降解的有机污染物，其通常具有较高的稳定性和超强的溶解性等特征，因此采用常用的处理手段如吸附过滤、膜分离、生物滤池或者活性污泥法很难对其进行彻底的去除。然而，新型的过硫酸盐高级氧化技术可以快速去除废水中难降解污染物。此外，在该处理工艺中，使用无金属催化剂在可见光下活化过硫酸盐，并实现四环素废水的高效降解，该工艺体系具有操作简便、高效节能、成本低廉且不会造成二次污染等优点。　　本研究专注于合成一种高效环保的无金属催化剂以提高过硫酸盐的活化性能，最终实现四环素的高效降解。g-C3N4具有成本低、带隙窄以及化学稳定性高等特点，因此使得其成为一种很有前途的催化材料用于环境问题的治理。然而，电荷迁移率差、对太阳能利用率低、比表面积低进一步限制了其催化性能。此外，N-CQDs具有优异的电荷转移能力和上转换发光等性质，因此，探索一种具有优良PS活化能力的g-C3N4基催化体系具有重要意义。在本实验中，g-C3N4单体通过煅烧法快速制备，N-CQDs/g-C3N4复合材料通过一步水热法合成，并且通过X射线衍射、X射线光电子能谱、透射电子显微镜等表征手段进一步探究了其物理化学性质。N-CQDs/g-C3N4复合材料作为催化剂用于可见光下活化过硫酸盐氧化降解四环素，催化性能通过四环素的降解率来表示。然后，研究了不同的实验变量对其催化降解效率的影响，例如催化剂的量、过硫酸盐浓度、反应pH值以及其他无机阴离子的干扰等。为了进一步探究协同降解反应机理，自由基捕获实验和电子自旋共振分析将被用于研究该反应体系可能存在的活性物质。最后，通过重复实验以及部分表征分析证明该催化剂的化学稳定性和应用潜力。　　研究结果表明，在最佳实验条件下该催化剂对四环素废水的降解效率可高达91%。在该反应中，过硫酸盐吸收紫外光的能量使过氧键发生断裂产生硫酸根自由基(?SO4-)，且N-CQDs/g-C3N4催化剂活化过硫酸盐反应产生的硫酸根自由基(?SO4-)和羟基自由基(?OH)，能有效地降解废水中的四环素。最佳反应速率(0.03202 min-1)比g-C3N4单体(0.00335 min-1)和N-CQDs/g-C3N4(0.00383 min-1)在不添加过硫酸盐的情况下分别高出近9.6倍和8.4倍。此外，催化剂具有良好的化学稳定性，且反应可以在较宽的pH范围内有效地进行，这表明它可以广泛适用于各种条件下有机废水的处理与处置。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 抗生素废水的来源及危害

1.2 抗生素废水传统处理方法概述

1.2.1 物理处理法

1.2.2 化学处理法

1.2.3 生物处理法

1.2.3 复合处理法

1.3 基于硫酸根自由基(?SO4-)的高级氧化技术研究

1.3.1 硫酸根自由基的产生方式

1.3.2 活化过硫酸盐氧化降解机理

1.3.3 过硫酸盐氧化降解有机污染物研究现状

1.4 基于氮化碳材料活化过硫酸盐的研究进展

1.4.1 石墨相氮化碳的介绍

1.4.2 氮化碳活化过硫酸盐降解污染物的研究

1.4.3 氮化碳基复合材料活化过硫酸盐降解污染物的研究

1.5 本文选题依据以及主要内容

1.5.1 选题依据

1.5.2 研究目的

1.5.3 研究内容

1.5.4 研究路线

第 2 章 实验材料与方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2 催化剂的表征

2.2.1 X 射线衍射(XRD)分析

2.2.2 傅立叶红外光谱(FTIR)分析

2.2.3 X 射线光电子能谱(XPS)分析

2.2.4 透射电镜(TEM)分析

2.2.5 比表面积(BET)分析

2.2.6 紫外-可见漫反射光谱(DRS)分析

2.2.7 光致发光光谱(PL)分析

2.3 实验方法

2.3.1 TC 浓度测定法

2.3.2 光催化实验方法

2.3.3 催化剂活性评价方法

2.4 催化剂的制备

2.4.1 氮化碳的制备

2.4.2 氮掺杂碳量子点的制备

2.4.3 氮掺杂碳量子点掺杂氮化碳催化剂的制备

2.5 实验设置

第 3 章 氮掺杂碳量子点/氮化碳活化过硫酸盐降解四环素的研究

3.1 催化剂的表征及分析

3.1.1 XRD 分析

3.1.2 FTIR 分析

3.1.3 XPS 分析

3.1.4 形貌调控

3.1.5 UV-Vis DRS 分析

3.1.6 PL 分析

3.2 催化剂的光电性能分析

3.2.1 光电流分析

3.2.2 EIS 分析

3.3 催化剂和过硫酸盐协同降解四环素

3.4 不同催化剂种类对降解效率的影响

3.5 降解性能影响因素

3.5.1 催化剂用量

3.5.2 PS 浓度

3.5.3 pH

3.5.4 其他阴离子

3.6 自由基分析

3.7反应机理研究

3.8循环性和化学稳定性分析

第 4 章 结论和展望

4.1 结论

4.2 创新点

4.3 展望

参考文献

附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文

附录 B 攻读硕士学位期间所申请的专利

致 谢