P和K掺杂氮化碳光催化降解水中阿特拉津实验研究

摘要

阿特拉津(ATZ)是目前全球范围内应用最普遍的化学除草剂之一，其属于持久性有机污染物，在自然界中生物降解性低，水溶性强，具有生态毒性，易经过地表径流、干/湿沉降、淋溶等形式迁移入地表水和地下水，并能长期稳定的残留在水体中。我国是ATZ生产与使用大国，至今ATZ的使用年长已达40年。近年来，在河流、湖泊甚至饮用水水源地中时而检测出ATZ的残留，相关的生态环境问题以及人体健康安全问题相继发生。由于ATZ的特性，常规水处理工艺降解具有一定局限。因此亟需寻找一种绿色、安全、经济、可靠的ATZ降解方法。本论文采用热缩聚法制备不同的改性氮化碳(PCN、KCN)复合材料，研究在可见光条件下PCN、KCN体系在不同反应条件对光催化降解水中ATZ效能的影响，并在此基础上建立光催化反应动力学模型及机理分析，取得如下研究成果。　　采用热缩聚法制备P掺杂氮化碳复合材料，对其光学特性运用XRD、SEM、UV-VIS、FT-IR和BET等测试进行表征分析，通过ATZ降解实验确定最优制备条件，在可见光下探讨PCN体系中掺杂比例、投加量、温度、pH、ATZ浓度、无机阴离子(Cl-、NO3-、HCO3-)等因素对ATZ降解效果的影响及动力学分析，并对其降解机理进行了研究。结果表明，制备PCN复合材料的最佳方案为：以磷酸氢二铵为磷源，尿素为前驱物，制备温度为550℃，P原子掺杂摩尔比例为0.3。掺入P改性后，g-C3N4的表面形貌发生改变，其比表面积增大的同时对可见光的响应范围也得到了拓展。在ATZ初始浓度为1.0mg/L，温度为20℃，光催化剂为PCN0.3，投加量为1.0mg/L，缓冲溶液pH值为7，反应时间为60min时，ATZ的光催化降解效率为72.74%，降解速率为g-C3N4的3.26倍。Cl-、NO3-、HCO3-等无机阴离子在同等浓度下对PCN光催化反应体系降解ATZ均呈抑制作用，抑制效果排序Cl-﹥NO3-﹥HCO3-。在不同影响因素条件下PCN体系对ATZ的降解动力学均更符合伪一级反应动力学模型。机理分析结果表明，PCN体系中的活性基团为·O2-和h+。其中·O2-为主要的氧化自由基，在ATZ的降解过程中起主导作用。　　采用热缩聚法制备K掺杂氮化碳复合材料，运用XRD、SEM、UV-VIS、FT-IR和BET等表征测试对其光学特性进行分析，并通过ATZ降解实验确定最优制备条件，研究KCN体系在可见光下对水中ATZ降解的影响因素、动力学及机理。结果表示，制备KCN材料的最佳方案为：以碘化钾为钾源，尿素为前驱物，制备温度为550℃，K原子掺杂摩尔比例为0.2。K的掺入，使得g-C3N4的表面形态发生明显变化，增大了其比表面积，同样可见光的响应范围得到扩宽。在ATZ初始浓度为1.0mg/L，温度为20℃，光催化剂为KCN0.2，投加量为1.0mg/L，缓冲溶液pH值为7，反应时间为30min时，ATZ的光催化降解效率为91.09%，降解速率为g-C3N4的15.08倍。Cl-、NO3-、HCO3-等无机阴离子在同等浓度下对KCN光催化反应体系降解ATZ均呈抑制作用，其中NO3-的抑制效果最强，其次是HCO3-，抑制作用最弱的是Cl-。在不同影响因素条件下KCN体系对ATZ的降解动力学均更符合伪一级反应动力学。机理分析结果表明，KCN体系中的活性基团为·O2-和·OH。其中·O2-为主要的氧化自由基，在降解ATZ的过程中起主要作用。相较于PCN0.3材料，KCN0.2对于ATZ的降解效果更好，是其降解率的2.02倍。

目录

声明

.第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1阿特拉津使用现状

1.1.2阿特拉津污染现状及危害

1.1.3研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1水中阿特拉津降解技术的研究现状

1.2.2光催化高级氧化技术研究现状

1.2.3基于氮化碳的光催化研究现状

1.3研究目标

1.4主要研究内容

1.5研究技术路线

第2章实验材料与方案

2.1试剂与仪器

2.1.1实验试剂

2.1.2实验仪器

2.2实验方案

2.2.1实验方法与装置

2.2.2磷掺杂氮化碳光催化降解ATZ实验方案

2.2.3钾掺杂氮化碳光催化降解ATZ实验方案

2.3表征与分析方法

2.3.1光催化降解效果分析

2.3.2 X射线衍射表征（XRD）

2.3.3场发射扫描电镜表征（SEM）

2.3.4傅里叶红外光谱表征（FT-IR）

2.3.5紫外—可见漫反射光谱表征（UV-Vis）

2.3.6比表面积表征（BET）

第3章改性氮化碳材料的制备与表征

3.1磷掺杂氮化碳的制备

3.2磷掺杂氮化碳的表征

3.2.1 XRD分析

3.2.2 SEM分析

3.2.3 FT-IR分析

3.2.3 UV-Vis分析

3.2.4 BET分析

3.3钾掺杂氮化碳的制备

3.4钾掺杂氮化碳的表征

3.4.1 XRD分析

3.4.2 SEM分析

3.4.3 FT-IR分析

3.4.4 UV-Vis分析

3.4.5 BET分析

3.5本章小结

第4章磷掺杂氮化碳光催化降解阿特拉津实验研究

4.1磷掺杂氮化碳材料光催化降解ATZ的影响因素分析

4.1.1掺杂比例对PCN材料光催化降解ATZ的影响

4.1.2投加量比对PCN材料光催化降解ATZ的影响

4.1.3温度比对PCN材料光催化降解ATZ的影响

4.1.4 pH对PCN材料光催化降解ATZ的影响

4.1.5 ATZ浓度对PCN材料光催化降解ATZ的影响

4.2水体中常见阴离子对PCN材料光催化降解ATZ的影响

4.3磷掺杂氮化碳材料光催化降解ATZ动力学研究

4.3.1不同掺杂比条件下PCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

4.3.2不同投加量条件下PCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

4.3.3不同温度条件下PCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

4.3.4不同pH条件下PCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

4.3.5不同ATZ浓度条件下PCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

4.3.6不同阴离子条件下PCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

4.4磷掺杂氮化碳材料光催化降解ATZ机理研究

4.5本章小结

第5章钾掺杂氮化碳光催化降解阿特拉津实验研究

5.1钾掺杂氮化碳材料光催化降解ATZ的影响因素分析

5.1.1掺杂比例对KCN材料光催化降解ATZ的影响

5.1.2投加量比对KCN材料光催化降解ATZ的影响

5.1.3温度比对KCN材料光催化降解ATZ的影响

5.1.4 pH对KCN材料光催化降解ATZ的影响

4.1.5 ATZ浓度对KCN材料光催化降解ATZ的影响

5.2水体中常见阴离子对KCN材料光催化降解ATZ的影响

5.3钾掺杂氮化碳材料光催化降解ATZ动力学研究

5.3.1不同掺杂比条件下KCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

5.3.2不同投加量条件下PCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

5.3.3不同温度条件下KCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

5.3.4不同pH条件下KCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

5.3.5不同ATZ浓度条件下KCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

5.3.6不同阴离子条件下KCN材料光催化降解ATZ的动力学分析

5.4钾掺杂氮化碳材料光催化降解ATZ机理研究

5.5分析讨论KCN0.2与PCN0.3对ATZ降解效果差异的原因

5.5.1改性氮化碳对ATZ降解效果的对比

5.5.2表征原因分析

5.6本章小结

结论与展望

一、结论

二、展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果