g-C3N4基复合材料的制备及其在菲污染土壤修复中的应用

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多环芳烃(PAHs)是一类具有致癌、致畸和致突变效应的持久性有机污染物,主要通过自然沉降和迁移等方式汇集到土壤环境中,严重危害了生态环境和人类健康。因此,亟待开发一种环境友好且高效的PAHs污染土壤修复方法。对比传统的化学氧化技术,半导体光催化技术反应相对温和,是一种具有良好应用前景的绿色治理技术。非金属光催化剂g-C3N4具有可见光响应的能力且性质稳定、无毒无害,还可避免在使用过程中因金属浸出而造成二次污染的风险,是一种适合应用于土壤修复的光催化材料。本论文首先采用不同前驱体制备三种g-C3N4,考察三种g-C3N4在可见光下对土壤中菲的去除效果并探究它们的光催化降解机理。为了增强g-C3N4的光催化活性,本论文还采用不同铁氧化物复合改性g-C3N4,制备Fe2O3/g-C3N4和Fe3O4/g-C3N4两种复合材料,进一步考察它们作为光催化剂时在可见光下对土壤中菲的去除效果并探究光催化降解机理。通过植物毒性实验评估菲污染土壤经g-C3N4、Fe2O3/g-C3N4和Fe3O4/g-C3N4复合材料修复后的对植物生长的影响。主要研究结果如下:(1)分别以尿素、双氰胺和三聚氰胺为前驱体,通过高温煅烧法制备三种g-C3N4。在三种g-C3N4中,以尿素为前驱体合成的g-C3N4具有最高的比表面积和最好的光催化活性。在可见光下,三种g-C3N4均可释放出强氧化性的超氧自由基(O2·-)和羟基自由基(·OH)来实现对土壤中菲的有效降解。植物毒性实验结果表明,土壤中的菲会显著抑制植物的正常生长,菲污染土壤经g-C3N4修复后,土壤的毒性显著降低,有利于后续的植被恢复。(2)以三聚氰胺、硫酸亚铁和草酸为原料,通过沉淀负载和高温煅烧法制备Fe2O3/g-C3N4复合材料,构筑Fe2O3和g-C3N4间异质结构。不同表征测试结果表明,大量棒状Fe2O3负载在片状g-C3N4上,有效地扩宽了g-C3N4的可见光吸收范围,提高了光生载流子的传递效率。土壤中菲降解实验结果表明,在可见光下,Fe2O3/g-C3N4复合材料可有效氧化降解土壤中的菲且其降解效果优于纯g-C3N4。菲污染土壤经修复后,通过植物毒性实验证实,Fe2O3/g-C3N4复合材料可以显著降低菲污染土壤的毒性。(3)以三聚氰胺、硫酸亚铁和三氯化铁为原料,通过原位共沉淀法制备Fe3O4/g-C3N4复合材料。不同表征测试结果表明,大量粒径为约20 nm的Fe3O4纳米颗粒负载到g-C3N4的表面上,不仅有效延伸了g-C3N4的可见光吸收范围,同时还降低了g-C3N4表面光生电子-空穴对的复合率。土壤中菲降解实验结果表明,一定量的Fe3O4与g-C3N4的复合后,Fe3O4/g-C3N4复合材料可对土壤中菲进行高效降解。通过植物毒性实验证实,Fe3O4/g-C3N4复合材料降解土壤中的菲污染物是一个温和的氧化降解过程,修复后的土壤毒性显著降低,有利于修复后植物的生长。
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