论文部分内容阅读
随着社会的发展,药物与个人护理品（PPCPs）的使用频率与总量不断增加,导致人们常在全球不同的水环境中检出PPCPs。虽然所检出PPCPs的浓度较低,但其具有潜在毒性,能够影响水生态平衡,威胁人体健康,故有效控制水体中PPCPs污染已迫在眉睫。石墨相氮化碳（g-C3N4）是不含金属的有机聚合物半导体材料,具有环境兼容性、二维层状结构、合适的禁带宽度、良好的化学和热稳定性,在环境净化方面表现出巨大的应用前景。然而,简单制备获得的纯g-C3N4的光生载流子复合率高、可见光利用率低、比表面积小,严重限制了g-C3N4的实际应用。为改善纯g-C3N4材料的缺陷,本论文针对g-C3N4基新型光催化材料的研发和应用问题,合理设计并制备出三种性能优异的g-C3N4基异质结光催化剂,选取双氯芬酸（DCF）、卡马西平（CBZ）、磺胺噻唑（STZ）等典型PPCPs为目标污染物,考察制备材料去除水体中典型PPCPs的性能与机理。本研究旨在合成低成本、可持续、高效能、有实际应用潜能的异质结光催化剂,为去除水体中典型PPCPs提供新思路与新方法。论文的主要研究内容与结论如下:（1）选取巴比妥酸、三聚氰酸作为共聚有机单体,与三聚氰胺热聚合,嫁接合成碳掺杂g-C3N4纳米片（BCCN）。随后,以BCCN为载体,将TiO2纳米颗粒原位附着在其表面制备成BCCN和TiO2复合光催化剂（BCCNT）。以DCF、CBZ为目标污染物,结果表明BCCNT纳米复合物的光催化活性相对于BCCN和TiO2显著提升。当BCCN和TiO2的质量比为30%（30%BCCNT）时,复合材料的光催化性能最优。LED可见光分别照射30 min和6 h后,30%BCCNT复合物光催化降解DCF和CBZ的表观反应速率常数为0.1796 min–1、0.0058 min–1,分别是BCCN的29.4和5.8倍。该复合材料良好的光催化活性主要归因于高载流子分离能力和异质结结构的协同作用。此外系统研究了催化剂用量、反应溶液pH、天然有机质、无机阴离子等对30%BCCNT复合材料光催化性能的影响,详细考察了30%BCCNT纳米复合材料的循环利用性能与其在实际水体中去除DCF、CBZ的性能。实验证明,30%BCCNT复合材料的光催化性能和循环利用性能良好,可高效去除地表水、生活污水中的DCF与CBZ,具有实际应用的潜能。（2）采用热剥离与水热法相结合的方式,设计并制备了Z型CQDs/BiOCOOH/uCN纳米复合物。表征结果表明,CQDs/BiOCOOH/uCN具有类花状结构、宽的可见光响应范围以及增强的光生载流子分离能力。将CQDs/BiOCOOH/uCN纳米复合物应用于光催化降解STZ,当BiOCOOH与超薄g-C3N4纳米片（uCN）的质量比为50%,碳量子点（CQDs）贮备液为4 mL时,材料的光催化活性最优。在LED灯照射90 min后,对STZ的降解效率为99.28%,相应的TOC去除效率为49.58%。该复合材料光催化活性增强的原因如下:（i）CQDs/BiOCOOH/uCN复合材料中CQDs、BiOCOOH和uCN三者之间紧密的界面连接与协同作用增强了其对可见光的吸收与利用;（ii）CQDs起着电子转移桥梁的作用,促成了Z型电荷转移途径,这不仅提高了光生电子和空穴的分离能力,而且增强了电子与空穴的氧化还原能力。最后,论文对比计算了在不同灯源照射下的能耗,表明4-CQDs/BiOCOOH/uCN-LED灯光催化体系比4-CQDs/BiOCOOH/uCN-氙灯反应体系更节能,更适合实际应用。（3）通过简易的浸渍水解法,合成了聚氨酯泡沫海绵（PUF）负载型BiOX（Cl、Br、I）/BCCN复合材料,拟解决g-C3N4基粉状光催化剂在水体污染物降解中难回收的问题。光催化降解实验表明,除BiOI/BCCN/PUF样品外,BiOCl/BCCN/PUF、BiOBr/BCCN/PUF复合材料的光催化性能显著提升。模拟太阳光照射4 h后,BiOCl/BCCN/PUF与BiOBr/BCCN/PUF对CBZ的去除率分别为84.61%、79.76%。同时,BiOCl/BCCN/PUF、BiOBr/BCCN/PUF具有较稳定的光催化活性,经四轮循环实验后对CBZ的降解率分别降低了6.72%和13.19%。选取BiOCl/BCCN/PUF催化剂进行深入探究,BiOCl/BCCN/PUF材料中的光生电荷遵循Z型转移途径。考虑到制备材料的实际应用性,本实验选取不同实际水体考察其对BiOCl/BCCN/PUF复合材料光催化性能的影响,结果显示该材料具有优异的光催化活性和潜在的应用价值。