金属掺杂BiFeO3的制备及其vis/PMS体系降解水中镇痛药的研究

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非甾体抗炎镇痛药物(NSAIDs)是全球范围内使用量最大的药物种类之一,具有难生物降解性、持久性、生物毒性等特性,对生态环境和人类健康构成了潜在的安全隐患。光催化和过硫酸盐氧化技术均是污水处理领域中备受关注的两种前沿技术,合理选用高效、稳定的催化剂是其关键所在。铁酸铋(BiFeO3)独特的微观结构和物理化学特性赋予了其催化多功能性,作为半导体材料具有良好的可见光响应,作为类Fenton反应催化剂具有不俗的催化性能,在环境治理领域有着巨大的潜力。针对传统水处理技术难以有效去除NSAIDs的问题,本文利用稀土金属La和过渡金属Mn对铁酸铋进行掺杂改性,对两种金属掺杂铁酸铋材料的晶体结构、形貌特征及光学性能等进行表征分析,探究Mn、La掺杂影响铁酸铋降解性能的内在机理。以金属掺杂铁酸铋作为催化剂,建立可见光催化/活化过硫酸盐协同体系(vis/PMS体系),以美洛昔康作为目标污染物,对该体系的降解效能和特性进行研究,探讨PMS投加量、初始p H、腐殖酸浓度、无机阴离子等因素对其降解性能的影响。采用自由基淬灭实验确认vis/PMS体系中参与污染物降解反应的活性物种,通过高效液相色谱质谱联用仪(HPLC-MS)分析美洛昔康的矿化情况和中间产物,给出可能存在的降解途径,进一步明晰vis/PMS体系的降解机理。所得主要结论如下:(1)Mn和La金属的掺杂对BiFeO3的结构、形貌特征、化学环境、光学性质有着明显改变,适量掺杂Mn或La元素均有利于提高BiFeO3的光催化活性和活化过硫酸盐效能,但两种金属掺杂对BiFeO3性能改良的内在机理不尽相同。(2)无论是Mn和La掺杂的BiFeO3材料,在vis/PMS体系下对美洛昔康的去除效率相较于单一体系都有进一步提高,证实了金属掺杂BiFeO3材料能够将光催化技术和活化过硫酸盐技术有效结合,更加高效地去除水中的非甾体抗炎镇痛药。此外,经四次重复实验,两种材料在vis/PMS体系下对美洛昔康的降解率仍能保持较高水平,表明其具有较好的催化稳定性。(3)随着PMS投加浓度的增大,vis/PMS体系对美洛昔康的去除率随之增长,但增大幅度明显减弱,过量投加甚至会出现抑制效果;vis/PMS体系具有较宽泛的p H适应范围,在反应初始p H=3~9范围内去除效率没有明显变化;腐殖酸在低浓度下对vis/PMS体系降解反应表现为促进作用,而在高浓度下表现出显著的抑制作用。四种无机阴离子中,Cl-对vis/PMS体系反应有着明显的促进效果,而NO3-、H2PO4-、HCO3-则表现出程度不同的抑制作用,抑制程度H2PO4->HCO3->NO3-。(4)在vis/PMS体系中参与美洛昔康降解的活性物种以SO4·-为主导,·OH、·O2-、h+等共同参与污染物降解。推测在反应过程中,美洛昔康分子结构中的C-N键和烯醇结构受到各类活性基团的氧化侵蚀而断裂破坏,分解为2-氨基-5-甲基噻唑等小分子有机物,并最终被矿化成H2O、CO2、SO42-、NH4+等。
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