碳氧共掺杂g-C_3N_4...附——光催化降解盐酸土霉素_陶丹.pdf
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1、摘要:以三聚氰胺和硫酸铵为前驱体通过煅烧法制备了碳氧共掺杂氮化碳(COC3N4)光催化剂,并通过 XRD,FTIR,XPS,SEM,UVvis 等分析方法对光催化剂进行了表征。结果表明:相较于 gC3N4,COC3N4的可见光吸收性能得到明显改善,光催化活性显著增强。通过耦合过硫酸盐(PMS)建立了多反应耦合型高级氧化体系,考察了 COC3N4对盐酸土霉素(OTC)的去除性能。实验结果表明:当 OTC 浓度为 004 g/L、PMS 浓度为 01 g/L、催化剂投加量为 02 g/L 时,COC3N4/PMS/vis 体系对 OTC 的降解效率在光照 75 min 后可达 6506,矿化效率为
2、 1735。在重复使用 4 次之后,催化剂对 OTC 的降解效率仅下降了 1145,表明该光催化剂具备良好的稳定性。通过自由基捕获实验,初步提出了 COC3N4对 OTC 可能的降解机理。关键词:COC3N4;光催化;过硫酸盐;盐酸土霉素Abstract:The carbon-oxygen co-doped carbon nitride(CO-C3N4)photocatalyst was prepared by calcination methodusing melamine and ammonium sulfate as precursors.The photocatalyst was ch
3、aracterized by XRD,FT-IR,XPS,SEM and UV-vis,and the results indicated that the visible light absorption ability of CO-C3N4was improved ascompared with that of g-C3N4,and the photocatalytic activity was significantly enhanced.The multi-reaction coupledadvanced oxidation technology was established by
4、coupling peroxymonosulfate(PMS),and the removal performance ofCO-C3N4for oxytetracycline hydrochloride(OTC)was investigated.The experimental results showed that when theOTC concentration was 0.04 g/L,the PMS concentration was 0.1 g/L,and the catalyst dosage was 0.2 g/L,OTCdegradation efficiency of C
5、O-C3N4/PMS/vis system could reach 65.06%after 75 min of illumination,and themineralization efficiency was 17.35%.After repeated use for four times,OTC degradation efficiency of thephotocatalyst decreased by only 11.45%,indicating that the catalyst has satisfactory stability.Finally,the possibledegra
6、dation mechanism of CO-C3N4for OTC was proposed by radical trapping experiments.Key words:CO-C3N4;photocatalysis;peroxymonosulfate;oxytetracycline hydrochloride中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:16741021(2023)050022-071引言随着全球的经济发展和人口数量的不断增长,抗生素使用带来的环境污染和生态风险问题也日益严重。四环素是目前世界上应用最多的抗生素之一1-2,四环素废水的处理方法包括物化处理法3、生物处理法
7、4和化学处理法5等。这些处理方法有诸多缺点,例如运行成本高、效果不明显、处理不彻底、有二次污染等6。传统技术无法有效地去除废水中残留的四环素,而光催化氧化法以其处理抗生素废水的高效率和环境友好性而受到广泛关注。光催化技术的核心是光催化剂,对光催化剂的研究成为目前光催化领域的重点。其中,石墨相氮化碳(gC3N4)因其具有可见光活性、合适的能带位置、良好的化学稳定性及热稳定性等优点7-8,被认为是一种极具潜力的光催化剂。然而 gC3N4本身小于收稿日期:2022-11-08;修订日期:2023-04-12。作者简介:陶丹,男,1987 年生,高级工程师,主要研究方向为水污染治理。*通讯作者:刘娇妹
8、,女,1976 年生,副研究员,博士,主要从事水环境治理、生态修复等工作,E-mail:。基金项目:黄河流域(河南省段)生态保护关键技术与高质量发展战略研究(2020B20)“基于地表水准类排放标准的污水处理厂提标改造工艺研究”(70052102)。碳氧共掺杂 g-C3N4耦合过硫酸盐吸附光催化降解盐酸土霉素陶丹12刘娇妹12陈杰2杨晨1(1 中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600;2 北京中铁生态环境设计院有限公司,北京 102600)*22环境保护与循环经济460 nm 的可见光波长响应、介电性质低及电阻率较高,导致其对可见光的利用受限,光生电荷载流子的复合率较高,严重影响其光
9、催化性能9-10。因此,如何提高 gC3N4的光催化活性成为目前的研究热点。目前常用的提高 gC3N4光催化活性的方法主要有形貌控制、贵金属沉积、掺杂改性以及复合其他半导体等方式。相比于金属掺杂,用 O,N,S,P 等非金属元素进行掺杂可有效拓展宽禁带半导体的光响应范围11,且实验过程简单可控,绿色环保无二次污染。例如,Wang 等通过以硫脲为硫源制备了 S 掺杂的Bi2WO6,光催化反应 120 min 后,对罗丹明 B 的降解率达到 80612。樊斌合成了 S 掺杂的石墨相氮化碳纳米片(SCNNS),光催化反应 120 min后对磺胺甲基嘧啶的降解率达到了 71613。上述研究结果表明,非
10、金属元素掺杂可明显提高光催化剂的光催化活性,但仍然有较大提升空间。通过活化过硫酸盐产生硫酸根自由基(SO4-)的高级氧化技术在近几年受到了广泛的关注,主要归功于 SO4-的强氧化性、无选择性以及广泛的 pH 适用性。在众多的活性氧化物种中,SO4-的氧化还原电势仅次于氟自由基,在更广泛的 pH 范围内能完全降解绝大多数的有机污染物14-15。最新报道显示,光催化耦合过硫酸盐技术能够有效地去除有机污染物,甚至达到高水平矿化。例如,Yang L 等制备了TiO2x/石墨烯复合材料用于可见光催化活化过硫酸盐降解双酚 A(BPA),光照 12 min 后的 BPA(10 mg/L)几乎完全被去除,矿化
11、率可达 8016。Yang L 等制备了 D35TiO2/gC3N4催化剂,在可见光照射 15 min下对 BPA(10 mg/L)的去除率接近 100,且矿化率可达 5017。因此,将光催化剂/光催化与过硫酸盐活化体系结合,有望进一步增强光催化剂对有机污染物的降解。本研究采用煅烧法合成了碳氧共掺杂氮化碳(COC3N4),并通过耦合过硫酸盐(PMS)构建多反应耦合型高级氧化体系(光催化PMS 活化),研究了其降解盐酸土霉素(OTC)的性能,考察了各影响因素对 OTC 降解的影响,同时测试了污染物降解过程的矿化程度(TOC),评价了体系的稳定性并分析了其降解机理。2材料与方法21实验材料与试剂盐
12、酸土霉素(OTC,C22H24N2O9 HCl)购于北京索莱宝科技有限公司,过硫酸盐(PMS,2KHSO5 KHSO4K2SO4)购于上海麦克林生化科技有限公司。三聚氰胺、硫酸铵、无水乙醇、二甲亚砜购于天津市科密欧化学试剂有限公司。所有试剂均为分析纯,实验用水均为超纯水(1825 M cm1)。22gC3N4和COC3N4的制备以硫酸铵和三聚氰胺作为前驱体,采用煅烧法制备 COC3N4(简写为 COCN)。首先将一定量的三聚氰胺和硫酸铵以不同的比例完全溶解在溶剂(水、无水乙醇、二甲亚砜,80 mL)中,在磁力搅拌器中加热蒸干得到白色粉末为前驱体,粉碎研磨后将其转移到管式炉中,在氮气氛围下,以
13、25/min 的升温速率于 550 下煅烧 4 h,所得样品即为 COCN。相同煅烧条件下,以三聚氰胺为原料制备的样品为gC3N4。23实验方法取 20 mg COCN 分散于 100 mL 浓度为 004 g/L的 OTC 溶液中,在黑暗下搅拌 30 min,达到吸附解吸平衡后加入 10 mg PMS 并在氙灯(300 W,420 nm)下进行光催化反应。然后每隔 15 min 取3 mL 样品,经膜过滤(孔径为 045 m)后于 353 nm处采用紫外可见分光光度计测定样品吸光度。进行一次光催化实验后,将反应后的混合溶液静置沉淀 30 min,倒去上清液后将剩余溶液离心洗涤,干燥后得到循环
14、后的 COCN。使用循环后的材料再次进行光催化实验并按上述步骤重复 4 次,以考察催化剂的稳定性和重复性。3结果与讨论31催化剂表征3.1.1XRD 表征为了考察碳氧共掺杂 gC3N4光催化剂的晶体结构,采用 X 射线衍射仪(XRD)对 gC3N4与 COCN进行了表征。如图 1 所示,gC3N4与 COCN 的谱图在 131和 276处均有 2 个典型的衍射峰,分别对应于 gC3N4的(100)和(002)晶面18。而 COCN 的晶面衍射峰的强度相对较大,表明 COCN 具有良好的结晶性。23图 1gC3N4和 COCN 的 XRD 图3.1.2FTIR 表征图 2 为 gC3N4和 CO
15、CN 的傅里叶红外光谱(FTIR)图。如图 2 所示,2 个光催化剂均出现了石墨相氮化碳的特征峰,其中 9001 800 cm1范围的宽峰归属于 CN 杂环特征拉伸振动;位于 807 cm1的特征峰归属于三嗪环外平面分子骨架的弯曲振动11。图 2gC3N4和 COCN 的 FTIR 图3.1.3SEM 表征采用扫描电镜(SEM)对 gC3N4与 COCN 的表面形貌进行了表征。如图 3a 所示,gC3N4呈现较为规则的块状结构,堆积较厚,无较大凹凸或沟壑形状出现11。经过碳氧共掺杂后,COCN 呈现更加复杂的多孔阶梯状形貌,纳米片层变得更薄,沟壑明显,光滑度明显减低(见图 3b)。改性后的 C
16、OCN 具有较大的比表面积,有利于污染物的吸附并提供更多的活性位点,且阶梯状的形貌增加了光生载流子的复合距离,有利于提高光催化剂表面光生载流子的分离效率。3.1.4XPS 表征采用 X 射线光电子能谱仪(XPS)对 gC3N4和使用前后的 COCN 的元素组成、价态和表面官能团进行了分析,结果如图 4 所示。由图 4a 可以看出,gC3N4和使用前后的 COCN 在 28720,39910,53260 eV 处均有明显的结合能峰,分别对应于 C,N和 O 3 种元素。在 C 1s 的 XPS 图谱中(见图 4b),可以观察到位于 28780 eV 和 28440 eV 处的 2 个结合能峰,分
17、别对应 sp2杂化的 C 原子(CC 键)与芳环中 sp2键合的碳(NCN键)19。改性后 COCN的 C 1s 峰有略微红移,这可能是碳氧的掺杂所致。N 1s 的谱图如图 4c 所示,在结合能为 39825,39918,40067 eV 处的三重峰以及40403 eV 的单峰,分别对应 sp2杂化的 N(CNC)、sp3杂化的 N(N C3)和氨基官能团(CNH)20。使用后的 COCN 的结合能峰有略微蓝移,这可能是光催化反应影响了元素周围的化学环境所致。O1s的谱图如图4d所示,gC3N4与 COCN 在 53226 eV 和 53144 eV 处有 2 个结合能峰,其中 53144 e
18、V 处的结合能峰归因于 CO键,53226 eV 处的结合能峰归因于光催化剂表面的吸附水11。agC3N4的 SEM 图bCOCN 的 SEM 图图 3gC3N4和 COCN 的 SEM 图24环境保护与循环经济综合以上 XPS 谱图,结合表 1 可以看出,改性后 C元素含量明显下降,N 元素含量增加。O 元素在 COCN 使用后含量有所增加,N 元素含量减少,这是光催化剂中部分 sp2杂化 N 原子被 O 原子取代所致21。表 1gC3N4和 COCN 中 C,N,O元素含量%3.1.5UVvis 分析为明确 gC3N4和 COCN 光催化活性存在差别的原因,采用紫外可见漫反射光谱对光催化剂
19、的光吸收性能进行了表征。如图 5 所示,掺杂碳氧后,COCN 的光吸收能力提升,尤其是紫外光区域200400 nm 和可见光区域 500800 nm,与其他非金属元素掺杂 gC3N4结果一致22。图 5gC3N4和 COCN 的 UVvis 图32COCN的催化性能采用 004 g/L 的 OTC 作为模拟污染物考察了COCN 在不同体系下的可见光催化活性。如图 6 所agC3N4与 COCN 使用前后的 XPS 全谱bgC3N4与 COCN 使用前后的 C 1s 谱cgC3N4与 COCN 使用前后的 N 1s 谱dgC3N4与 COCN 使用前后的 O 1s 谱图 4gC3N4和 COCN
20、 使用前后的 XPS 图谱样品CNOg-C3N447.147.5045.36CO-CN使用前35.1034.8930.01CO-CN使用后22.5828.0749.3525示,在可见光(vis)下,OTC 的降解率较低,仅为1024,单独的 PMS 对 OTC 的降解率为 3638。在PMS/vis 条件下,OTC 的降解率为 4461,这说明不添加催化剂的体系对 OTC 的氧化能力有限。OTC在COCN/vis 体系下,60 min 后降解率为 2430,在COCN/PMS 体系下的降解率为 4300,而在COCN/PMS/vis 体系下,可以看到当光照 60 min 后,COCN 对 OT
21、C 的降解率达到了 6242,这表明PMS 和 COCN 在可见光条件下可产生协同作用,显著提高了光催化剂对 OTC 的降解性能。图 6不同催化剂在不同体系下对 OTC 的降解33影响光催化降解的因素3.3.1不同溶剂对 OTC 降解的影响采用水、无水乙醇、二甲亚砜 3 种溶剂制备 COCN,其在 COCN/PMS/vis 体系下的降解效果如图 7所示。光照 75 min 后 3 种光催化剂对 OTC 的降解率分别为 6073,6360,6506。可以看出溶剂对光催化剂的光催化性能影响不大,在 3 种不同溶剂中,以无水乙醇作为溶剂所制备的 COCN 降解 OTC 效果相对较好,水和二甲亚砜次之
22、。图 7不同溶剂的 COCN 对 OTC 降解的影响3.3.2前驱体配比对OTC 降解的影响探究了硫酸铵和三聚氰胺的不同配比(151,11,12)对 COCN 光催化性能的影响。如图 8 所示,当硫酸铵和三聚氰胺配比为 151 时,COCN 对OTC 的降解效果最好,为 7493,高于 11(6506)与 12(5925)的配比。这可能是由于硫酸铵和三聚氰胺配比较高时,制备所得 COCN 中羰基的掺杂也更多,羰基可以为 PMS 活化提供更多的反应位点,使得 PMS 产生更多的活性自由基,从而提高OTC 的降解率。但在 COCN 的实际制备过程中,硫酸铵在高温下易挥发分解,这导致在煅烧过程中会有
23、部分前驱体从管式炉的坩埚中挥发从而使产率降低。在实验条件下,硫酸铵 三聚氰胺151 时的COCN 产率不足 11 配比时的 1/6。综合考虑经济效益和降解效果因素,采用硫酸铵三聚氰胺11的配比来制备光催化剂。图 8不同前驱体配比的 COCN 对 OTC 降解的影响3.3.3光催化剂投加量对 OTC 降解的影响在 OTC 浓度为 004 g/L、PMS 投加量为 01 g/L的条件下,考察了不同 COCN 投加量对 OTC 降解的影响,结果如图 9 所示。当 COCN 的投加量由02 g/L 增加至 06 g/L 时,OTC 的降解率由 6506提升至 7629。这是因为在一定浓度范围内,光催化
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