P和K掺杂氮化碳光催化降解水中阿特拉津实验研究

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阿特拉津(ATZ)是目前全球范围内应用最普遍的化学除草剂之一,其属于持久性有机污染物,在自然界中生物降解性低,水溶性强,具有生态毒性,易经过地表径流、干/湿沉降、淋溶等形式迁移入地表水和地下水,并能长期稳定的残留在水体中。我国是ATZ生产与使用大国,至今ATZ的使用年长已达40年。近年来,在河流、湖泊甚至饮用水水源地中时而检测出ATZ的残留,相关的生态环境问题以及人体健康安全问题相继发生。由于ATZ的特性,常规水处理工艺降解具有一定局限。因此亟需寻找一种绿色、安全、经济、可靠的ATZ降解方法。本论文采用热缩聚法制备不同的改性氮化碳(PCN、KCN)复合材料,研究在可见光条件下PCN、KCN体系在不同反应条件对光催化降解水中ATZ效能的影响,并在此基础上建立光催化反应动力学模型及机理分析,取得如下研究成果。采用热缩聚法制备P掺杂氮化碳复合材料,对其光学特性运用XRD、SEM、UV-VIS、FT-IR和BET等测试进行表征分析,通过ATZ降解实验确定最优制备条件,在可见光下探讨PCN体系中掺杂比例、投加量、温度、p H、ATZ浓度、无机阴离子(Cl-、NO3-、HCO3-)等因素对ATZ降解效果的影响及动力学分析,并对其降解机理进行了研究。结果表明,制备PCN复合材料的最佳方案为:以磷酸氢二铵为磷源,尿素为前驱物,制备温度为550℃,P原子掺杂摩尔比例为0.3。掺入P改性后,g-C3N4的表面形貌发生改变,其比表面积增大的同时对可见光的响应范围也得到了拓展。在ATZ初始浓度为1.0mg/L,温度为20℃,光催化剂为PCN0.3,投加量为1.0mg/L,缓冲溶液p H值为7,反应时间为60min时,ATZ的光催化降解效率为72.74%,降解速率为g-C3N4的3.26倍。Cl-、NO3-、HCO3-等无机阴离子在同等浓度下对PCN光催化反应体系降解ATZ均呈抑制作用,抑制效果排序Cl-﹥NO3-﹥HCO3-。在不同影响因素条件下PCN体系对ATZ的降解动力学均更符合伪一级反应动力学模型。机理分析结果表明,PCN体系中的活性基团为·O2-和h+。其中·O2-为主要的氧化自由基,在ATZ的降解过程中起主导作用。采用热缩聚法制备K掺杂氮化碳复合材料,运用XRD、SEM、UV-VIS、FT-IR和BET等表征测试对其光学特性进行分析,并通过ATZ降解实验确定最优制备条件,研究KCN体系在可见光下对水中ATZ降解的影响因素、动力学及机理。结果表示,制备KCN材料的最佳方案为:以碘化钾为钾源,尿素为前驱物,制备温度为550℃,K原子掺杂摩尔比例为0.2。K的掺入,使得g-C3N4的表面形态发生明显变化,增大了其比表面积,同样可见光的响应范围得到扩宽。在ATZ初始浓度为1.0mg/L,温度为20℃,光催化剂为KCN0.2,投加量为1.0mg/L,缓冲溶液p H值为7,反应时间为30min时,ATZ的光催化降解效率为91.09%,降解速率为g-C3N4的15.08倍。Cl-、NO3-、HCO3-等无机阴离子在同等浓度下对KCN光催化反应体系降解ATZ均呈抑制作用,其中NO3-的抑制效果最强,其次是HCO3-,抑制作用最弱的是Cl-。在不同影响因素条件下KCN体系对ATZ的降解动力学均更符合伪一级反应动力学。机理分析结果表明,KCN体系中的活性基团为·O2-和·OH。其中·O2-为主要的氧化自由基,在降解ATZ的过程中起主要作用。相较于PCN0.3材料,KCN0.2对于ATZ的降解效果更好,是其降解率的2.02倍。
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