磁性纳米Fe3O4/BiOX(X=Br,I)复合材料的制备和降解内分泌干扰物的研究

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随着现代社会的高速发展和人民生活水平的提高,健康已成为人们日常最关心的一个话题。然而,水环境中不断增加的有机污染物对整个水生态环境和人类的健康造成了很大的危害,其中内分泌干扰物类有机污染物已成为近些年关注的热点。以纳米材料为代表的多相催化高级氧化技术由于其降解速度快、应用范围广等特点近年来受到学术界广泛的关注,为环境中内分泌干扰物的去除提供了一种可行且高效的解决方案。二氧化钛由于其良好的抗光腐蚀性和催化活性,在光催化降解内分泌干扰物中有很多应用,但其禁带宽度较大(3.0-3.2 eV),对太阳能的利用率很低。因此,开发研制新型的、更高效的可见光催化剂势在必行。铋系半导体光催化材料因其独特的结构、良好的可见光响应和高效的有机物降解能力受到了学者们的极大关注。本课题主要研究了磁性纳米材料Fe3O4/BiOI和Bi OBr/BiOI/Fe3O4的合成及理化性质的表征并研究了对选择的内分泌干扰物在可见光照射下的去除机制、降解途径及影响因素分析,同时研究了在外加磁场作用下实现降解后溶液中的纳米材料分离与再循环。本文主要研究内容如下:(1)利用简单的原位化学沉淀法在室温条件下制备了不同组分的磁性纳米Fe3O4/BiOI复合材料,采用一系列测试手段对其进行了表征,并在可见光下催化降解双酚A(BPA)。结果表明,Fe3O4/BiOI(1:4)异质结构的光催化活性最高。催化剂量为1.0 g·L-1、pH为9.0时,BPA的去除率达到最高,可见光下照射90分钟,对BPA的去除率可达92%;考察了不同浓度的溶解性有机质(DOM)、NO3-、HCO3-条件下对降解过程的影响,研究结果表明,HCO3-和NO3-对内分泌干扰物的降解过程随着添加物浓度的增加先促进后抑制,而溶解性有机质对内分泌干扰物的降解起抑制作用。以BPA作为目标污染物,考察了四种活性基团·O2-、1O2、·OH、h+对整个降解过程的影响,结果表明光生空穴和羟基自由基在整个光催化过程中起主要的作用;同时,考察了不同浓度的催化剂、溶解性有机质(DOM)、NO3-、HCO3-以及不同pH条件下对降解过程的影响,研究结果显示,HCO3-和NO3-对BPA的降解过程随着添加物浓度的增加先促进后抑制,而溶解性有机质对BPA的降解起抑制作用。通过LC/MS检测降解中间产物,推测出了BPA可能的降解路径。反应结束后,复合光催化剂在外加磁场作用下从反应体系中分离,循环实验5次后,仍保持很高的光催化性能,表现出良好的稳定性。(2)利用合成磁性空心花状的Fe3O4/BiOI(1:4)光催化剂,研究其在可见光下催化降解双酚S(BPS)的性能。结果表明,催化剂量为1.0 g·L-1、pH为9.0时,对BPS的去除率最高,可见光照射90 min,Fe3O4/BiOI复合光催化剂对BPS的去除率可达90.6%。反应结束后,复合光催化剂在外加磁场作用下从反应体系中快速分离,循环实验5次后,其光催化效率仍保持在85.0%以上,表现出良好的稳定性。降解过程主要包含羟基自由基和光生空穴的氧化作用。沉淀法制备Fe3O4/BiOI简单可靠,条件可控,所制备的Fe3O4/BiOI具有良好的应用前景。(3)在以上实验的基础上,我们采用相同的方法在室温条件下成功合成了不同比例的磁性纳米BiOBr/BiOI/Fe3O4复合材料,采用一系列测试手段对其进行了表征,并在可见光下催化降解四溴双酚A(TBBPA)。测试表征结果表明,Fe3O4纳米颗粒成功的负载于BiOBr/BiOI微球表面及其内部。BiOBr/BiOI/Fe3O4(2:2:0.5)对TBBPA的去除效果最佳且去除率达到了98.5%。以TBBPA作为目标污染物,考察了四种活性基团对整个降解过程的影响,实验表明超氧自由基在整个光催化过程中起主导的作用。反应结束后,复合光催化剂在外加磁场作用下从反应体系中分离,循环实验5次后,仍保持很高的光催化性能,具有良好的应用前景。
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