苝二酰亚胺类可见光催化剂活化过硫酸盐降解卡马西平的研究

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药物和个人护理用品(Pharmaceuticals and Personal Care Products,PPCPs)是一类新兴污染物,具有来源广泛、效应隐蔽和风险滞后等特点,对人类健康和生态环境的影响引起了社会的广泛关注。卡马西平(CBZ)是PPCPs中的一种典型代表,常规水处理工艺难以将其完全降解,需要探寻新型高效的高级氧化联合工艺。本研究采用光催化技术与过硫酸盐高级氧化耦合技术降解水环境中的卡马西平。通过“双溶剂交换聚合法”制备Bis-PDI-T@TiO2复合材料催化剂,在可见光下活化过硫酸盐(PS)强化污染物的光降解,考察了复合材料催化剂对目标污染物CBZ的催化降解性能,并探究了Vis/PS/Bis-PDI-T@TiO2体系的反应机理,构建耦合体系降解卡马西平机理模型,为光活化PS提供了新的思考和理论指导。研究内容及结果如下:(1)本文设计并合成了PDI衍生物Bis-PDI-T,利用“双溶剂交换聚合法”,通过控制自组装过程成功制备了Bis-PDI-T@TiO2复合光催化剂。通过对复合材料进行理化表征,并利用目标污染物探针分子(苯酚)对可见光光催化体系的降解能力进行测试,结果表明在Bis-PDI-T的掺杂量为0.1 wt%时具有最优异的光催化活性,其表现速率常数值为0.088 h-1,比TiO2提高了约11倍,比Bis-PDI-T分子提高了4.2倍。同时将复合材料用于降解甲基橙和甲基蓝,降解效率证明该催化剂在实际废水处理过程中具有很大的潜力。(2)以水环境中CBZ为降解研究底物,评价Vis/PS/Bis-PDI-T@TiO2体系的催化降解性能。结果表明,当Bis-PDI-T掺杂量为0.1wt%时,该体系30min内可将废水中CBZ完全降解,其对应一级动力学常数为0.11878 min-1,分别是Vis/PS/TiO2和Vis/Bis-PDI-T@TiO2体系的14.5和28.2倍。结果表明,Vis/PS/Bis-PDI-T@TiO2体系中的Bis-PDI-T@TiO2复合材料在可见光驱动下,极大地提高其活化PS的效率,增强降解卡马西平的能力。该体系降解CBZ的性能随着Bis-PDI-T掺杂量、初始p H、初始CBZ浓度、催化剂和PS投加量等因素相关。复合材料在经过五次循环实验后,CBZ去除率仍然接近90%。(3)通过自由基猝灭实验和ESR技术检测,发现Vis/PS/Bis-PDI-T@TiO2反应体系中存在4种类型的反应性氧化物质,即硫酸根自由基、羟基自由基、超氧自由基和空穴,其中羟基自由基起到主要作用。采用HPLC/MS对CBZ降解过程中的中间产物进行分析,提出深度降解及提高矿化度的途径。最后基于分析结果,构建出Vis/PS/Bis-PDI-T@TiO2反应体系降解机理模型。
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