石墨相碳化氮可见光催化降解罗丹明B的试验研究

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罗丹明B是一种碱性染料,曾被大量用作食品添加剂,后因实验证明其致癌性,被禁用于食品行业。但罗丹明B仍被广泛运用于造纸业、纺织印染业、皮革制造业、有色玻璃着色、细胞荧光染色剂制造及烟花爆竹制造等行业。这些行业产生出大量的罗丹明B染料废水,如若没有妥善处理,会给人类健康及生态环境造成极大伤害。因而,寻求一种高效、经济的以罗丹明B为代表的染料废水的处理方法显得非常重要。本研究在前人的基础之上,改进了石墨相碳化氮的制备方法,并以罗丹明B为目标物,研究了g-C3N4在可见光下催化罗丹明B降解的影响因素,寻求了最佳反应条件,并探索了用微波辅助烧结法制备的g-C3N4对实际印染废水的处理情况。取得的主要成果与认识有:(1)XRD分析表明,微波辅助烧结法制得的样品中,三聚氰胺完全分解,分解产物在27.5°有一个典型的衍射峰,对应的晶面间距d=0.326nm,该峰对应于g-C3N4(002)晶面的特征峰d002=0.322nm,表明样品具有ABAB型堆积。且微波辅助烧结法制得的样品的XRD谱与传统固态烧结法制备样品的XRD谱基本一致,说明由微波辅助烧结法制得的粉体的确是具有类石墨的层状结构的g-C3N4。微波辅助烧结法制得的g-C3N4样品S与传统固态烧结法制得的样品S0均具有类石墨的层状结构,且S相比于S0有更小的层间距和更大的比表面积,这将给光催化反应提供更多的活性位点,且反应后的S形貌和层间距均无明显变化,较为稳定,这都有利于其进行光催化作用。(2)微波辅助烧结法制得的g-C3N4样品S在可见光下对罗丹明B有明显的光催化降解脱色效果,240min时的脱色率达到96.5%,高于传统固态烧结法制得的样品S0的脱色率79.5%。对催化剂进行循环利用实验5次,发现微波辅助烧结法制得的g-C3N4样品S较稳定,催化活性变化不大,5次循环反应中罗丹明B溶液的脱色率分别为97.8%、95.9%、93.9%、89.9%和86%,这种稳定的特性对其在实际染料废水的光催化处理中能够得以应用显得非常重要。(3)石墨相碳化氮可以光催化降解三苯甲烷类染料罗丹明B,并且随着染料浓度的升高,光催化反应的速度在减缓。催化剂投加量在1g/L-2.5g/L时,随着催化剂投加量的变大,罗丹明B的脱色速度也在变大,而当催化剂投加量达到3g/L时,罗丹明B的脱色速率反而变小了,这一方面是由于催化剂的投加量过大使得被吸附的罗丹明B也增多,其在反应过程中缓慢脱附,使降解时间增加,另一方面是由于催化剂用量过大,悬浮的催化剂粒子对光线的阻挡降低了光子的利用率。在酸性环境下,pH值越小,罗丹明B降解速度越快,pH为1、2、3、4时,150min后,g-C3N4对罗丹明B的脱色率就已经达到95%,而pH为5、6、7时,210min后,脱色率分别为97.2%、91.9%、81.8%。在碱性环境下,pH值越大,罗丹明B降解速度越慢,pH为7、8、9、10、11时,90min后,g-C3N4对罗丹明B的脱色率分别为53.1%、45.4%、39.4%、37%、30.9%。而pH为13时,脱色速度急剧增加,可能是由于罗丹明B与碱发生反应。温度对罗丹明B的降解效果影响并不大,10℃、20℃、30℃三个温度水平的降解曲线较接近,30℃组在刚开始光照时脱色率变化不明显,这可能是由于温度变高会影响石墨相碳化氮对罗丹明B的吸附量,使溶液中的罗丹明B出现脱附现象,而脱色曲线后部可以看出温度变高,脱色速率会相应增加,但这种增加并不明显。氙灯与液面距离从10cm增大到30cm,罗丹明B溶液的脱色速度有变小的趋势,但变化并不明显,且270min后,三组实验的脱色率都达到95%以上。(4)正交实验表明,各影响因素对石墨相碳化氮可见光催化罗丹明B降解效果的影响从大到小依次为催化剂投加量>初始pH值>初始浓度。且在一定范围内,催化剂投加量的增加对反应的促进效果较明显;而pH值越低,g-C3N4光催化降解罗丹明B的效果越好。正交实验得到的最佳条件为:初始浓度:1mg/L,初始pH值:5,催化剂投加量:0.25g/L。(5)在太阳光作光源时,g-C3N4催化剂对实际染料生产废水具有一定的脱色效果,其作用3小时后COD脱色率最高可达26.8%,且脱色率从高到低的光源条件依次为:晴天中午、晴天傍晚、晴天早晨和阴天。g-C3N4处理实际生产废水时,最佳的催化剂投加量为3g/L,此时COD去除率为28.6%。此最佳催化剂投加量略高于实验室条件下的单因素实验寻找到的最佳催化剂投加量。g-C3N4处理实际生产废水时,酸性条件更利于光催化反应的进行,最佳的反应液pH为3,此时COD去除率为38.6%。石墨相碳化氮可见光催化处理废水技术与当前许多印染企业采用的活性炭吸附技术处理染料废水成本(约20元/吨)比较,具有明显的价格优势;与生物处理技术处理成本(1.5-2.0元/吨)比较,成本仍偏高,但是在处理效率和污染物去除效果方面,石墨相碳化氮可见光催化处理技术却具有明显的优势。本研究结果表明,以三聚氰胺为反应前驱物,用微波辅助烧结法制得的石墨相碳化氮具有较好的可见光光催化降解罗丹明B废水的能力,且脱色反应较迅速,无二次污染,与其他处理技术相比,这种方法催化剂生产成本低廉、催化性能稳定且操作更便捷,具有较大的应用空间。
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