氧化石墨烯衍生物催化剂在光催化降解喹诺酮类抗生素中的应用

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抗生素废水具有成分复杂、毒性较高、处理难度较大、生物降解性较差等特点,一般的工艺难以将其完全去除。发展一种高效的方法降解抗生素废水具有重要意义。光催化氧化降解难降解有机污染物技术具有经济效益高、去除率高等优点,已成为当前研究热点。光催化效率的高低取决于光催化剂的性质,因此,研发高性能光催化剂成为光催化技术的关键。氧化石墨烯(GO)是一种二维材料,具有电子迁移率高、比表面积大和化学稳定的优点,已经被广泛应用于光催化领域,然而,GO具有易堆积,在水溶液中分散性差的问题,因此,提高GO衍生物在水中的分散性,减少GO在水中聚集将可以改善GO在光催化降解水中有机污染物的应用,另外,通过在GO表面引入拉电子基团将增加GO在水中的化学稳定性。本文通过半导体复合、磺酸功能化、卤素原子掺杂等方法制备了Mo O2/DGO及4种无金属光催化剂——磺酸功能化氧化石墨烯(SGO)、氟代氧化石墨烯(GOF)、氯取代氧化石墨烯(GOC)、溴取代氧化石墨烯(GOB),以进一步提高GO的光催化活性。利用傅里叶变换红外(FT-IR)、元素分析(EA)、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、紫外可见(UV-vis)、热重分析(TG)、Zeta电位、X射线光电子能谱分析(XPS)等方法对样品进行测试和表征,表征结果证明以上材料能够对GO改性,在不破坏GO的结构特性的同时,能具有更好的光学性质和热稳定性。另外还通过光催化降解喹诺酮类抗生素对不同的催化剂性能进行了评估,以上五种光催化剂有高效的催化降解性能。还对降解中间产物进行了TOC测试,用以测定抗生素在降解过程的矿化率,结果表明抗生素能够大部分甚至全部矿化。同时进行了循环降解实验,结果证明这几种光催化剂均具有良好的化学稳定性和高的可重复利用性。最后,对诺氟沙星及左氧氟沙星的降解中间体进行了LC-MS检测,检测结果推导出了这两种抗生素的降解机理,降解机理表明抗生素的降解主要是哌嗪环的裂解及含氟、氮基团的断裂所致。实验结果证明,使用这些光催化剂可以有效降解水中的难降解抗生素。
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