两种磁性纳米复合材料催化降解水中典型氟喹诺酮类抗生素研究

来源 :兰州大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:zxcfs
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氟喹诺酮类抗生素(FQs)在预防和治疗细菌感染疾病上有非常广泛的应用。近年来,该类抗生素经常在水体中被检测出来。即使微量存在也会对人类及整个生态系统造成潜在的威胁。近年来,高级氧化技术由于其氧化能力强、适用范围广、高效处理大多数难降解有机污染物、处理成本低的优势、而具有广阔的应用前景。基于此,本文制备了Ag3PO4/Bi25FeO40/GO和CuS/Fe2O3/Mn2O3纳米复合催化剂,分别通过光催化高级氧化和活化过硫酸盐高级氧化对水中典型存在的氟喹诺酮类抗生素进行处理。此外,石化工业废水具有排放量大、组成成分复杂、难处理等特点,是较难处理的工业废水之一。经过生物处理的石化废水二级出水中依旧含有较多的难降解的有机物质,为了达到排放或者回用的标准,需要对其进行深度处理。但是,目前常用的深度处理如臭氧氧化、紫外消毒、活性炭吸附等都具有运行成本高的缺点。因此,本文中还利用所制备的两种磁性纳米材料对石化二级出水进行了深度处理,并对两种方法的处理效果进行对比。本文主要开展工作如下:为了提升单一相的催化剂的光催化活性及稳定性,采用水热法制备了Bi25FeO40/GO纳米复合催化剂,并对制备参数进行优化,得出质量比为7:3的二元复合催化剂催化性能最好。选取该比例的二元复合催化剂,利用共沉淀法制备了Ag3PO4/Bi25FeO40/GO三元纳米复合催化剂。通过多种表征手段对其理化性质、光吸收性能、光电化学特性以及光催化性能进行了分析。通过降解洛美沙星(LVF)来评价Ag3PO4/Bi25FeO40/GO的光催化性能,并对反应条件进行了优化,结果表明,当催化剂投加量为0.4 g/L、pH=3时,洛美沙星的降解效率最高,光照反应120 min后,可以达到86.5%。电化学测试结果显示,Ag3PO4/Bi25FeO40/GO纳米复合催化剂与Bi25FeO40/GO相比,具有更高的瞬态光电流强度(1.04μA·cm-2)、更小的电荷传输阻力以及更高的载流子浓度。同时,根据自由基捕获实验确定了反应体系中存在的活性物种有·O2-、h+、e-、H2O2和·OH,且起主要作用的为·O2-和e-。此外,探究了溶液中共存无机阴离子和腐殖质对反应的影响。结果表明,不同的离子随浓度的不同对降解反应的影响程度不同,但均有抑制作用。根据研究结果,提出Ag3PO4/Bi25FeO40/GO纳米复合催化剂光催化性能提高机制。进一步的制备了CuS/Fe2O3/Mn2O3纳米复合催化剂作为活化过一硫酸盐的催化剂。首先通过高温煅烧法合成Fe2O3/Mn2O3二元纳米复合催化剂,再利用沉淀法制备了CuS/Fe2O3/Mn2O3三元纳米复合催化剂。并对制备参数进行了优化,得出CuS与Fe2O3/Mn2O3的比例为1:1时,展现出的催化效果优于CuS、Fe2O3/Mn2O3以及其他比例的三元复合催化剂。同时,利用多种表征手段分析了CuS/Fe2O3/Mn2O3的物理化学结构性质。通过活化过一硫酸盐(PMS)降解环丙沙星(CIP)来评价CuS/Fe2O3/Mn2O3的催化性能。并对反应条件进行了优化,结果表明,当催化剂投加量为0.6 g/L、PMS投加量为0.6 g/L、pH=5.84时,催化效果最好,反应120 min后,达到88%。反应遵循朗格缪尔一阶反应动力学方程,反应速率常数为0.1 min-1。此外,还探究了溶液中共存无机阴离子和腐殖质对反应的影响。通过自由基捕获实验以及电子顺磁共振光谱确定了反应体系内存在的活性物种为·OH和SO4·-,且起主要作用的为·OH。通过对环丙沙星降解中间产物的检测,推测出可能的降解路径。并提出CuS/Fe2O3/Mn2O3活化PMS降解污染物的催化机制。此外,CuS/Fe2O3/Mn2O3具有较好的磁性,为回收利用提供了可能性。为了进一步拓展两种磁性催化剂的应用情况,我们利用其对石化工业废水二级出水进行了深度处理。并对催化剂的投加量、PMS投加量、pH等进行优化,探究了最佳反应条件。结果表明,Ag3PO4/Bi25FeO40/GO最佳催化剂投加量为2.0g/L,反应120 min CODCr的去除率为72.9%;而CuS/Fe2O3/Mn2O3最佳催化剂投加量和PMS投加量均为1.0 g/L,反应60 min后,CODCr的去除率为73.8%。实验结果说明CuS/Fe2O3/Mn2O3活化PMS对二级出水的处理效果更好。
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