介质阻挡放电等离子体协同二硫化钼负载钨酸铋纳米催化剂降解水中磺胺甲恶唑的研究

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磺胺甲恶唑(SMZ)是一种合成抗菌药物,已经在世界范围内被广泛使用,SMZ既可以用于预防和治疗感染,也可以作为饲料添加剂用于促进食用动物生长。由于SMZ可生物降解性较差且可长期存在于环境中,因此被归类为持久性抗生素。SMZ在许多国家的城市污水处理厂废水和地表水中经常检测到,通常在ng/L水平。已有证据充分证明,即使在微量浓度下,SMZ对包括细菌、浮游植物和浮游动物在内的多种水生生物存在不良影响。由于上述潜在的风险,SMZ的降解是水处理中的一个关键问题。低温等离子体降解过程一般被认为是臭氧化、紫外光解、热解等高级氧化(AOPs)的组合过程,不需要温度和压力,对污染物不敏感,对环境友好,目前被广泛应用于环境治理中。本文选择SMZ作为模型污染物,采用操作简单且经济的水热法制备了 MoS2负载Bi2WO6(Bi2WO6-rMoS2)复合光催化剂,对介质阻挡放电(DBD)协同Bi2WO6-rMoS2催化剂(协同体系)降解水溶液中SMZ的可行性进行了系统的研究。首先,本文先后以水热法制备了 Bi2WO6、MoS2、Bi2WO6-rMoS2催化剂,为考察复合材料的形貌、结构、表面成分及比表面积等特性,采用透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、电子能谱(XPS)、比表面积(BET)等手段对复合催化剂进行了表征分析,结果表明Bi2WO6成功附着在层状结构的MoS2上,掺杂MoS2对Bi2WO6的晶型结构不会产生影响但会导致Bi2WO6的主要衍射峰面积和结晶度都有所增加。其次,考察了协同体系操作条件的设置对SMZ降解效果的影响,包括放电电压、SMZ初始浓度和溶液初始pH值、催化剂中MoS2与Bi2WO6质量比和催化剂添加量,同时,通过研究催化剂多次循环使用后SMZ降解效率的变化来考察其稳定性。实验结果表明,在一定范围内,增大放电电压有利于提高SMZ降解效率,但也会增大能耗影响能量利用率;较低的初始浓度通过增加活性粒子与SMZ接触的可能性而导致降解效率的提高;弱碱性条件下臭氧更易形成氧化电位(2.80V)较高的·OH从而对SMZ降解有利;MoS2掺杂量的提高会阻碍紫外光的传递,降低光利用率和SMZ降解效率;催化剂添加量的增加带来了活性物质生成量和催化剂吸附容量的增加,进而提高了 SMZ的降解效率和能量效率;Bi2WO6-rMoS2催化剂在经过四次循环处理后对SMZ的处理能力略微下降但仍保持在较高水平,表明Bi2WO6-rMoS2复合材料具有一定的循环稳定性。随后,本文探究了协同体系降解SMZ的机理,具体考察了实验过程中单独介质阻挡放电体系和协同体系中H2O2和O3积累浓度变化以及pH和TOC变化情况。结果表明,添加Bi2WO6-rMoS2催化剂有利于提高H2O2的产率,加快O3的消耗,降低溶液pH值并能提高反应过程中的矿化效率。最后,综合分析Gaussian理论计算结果以及LC-MS检测结果,提出了 SMZ降解过程中可能产生的中间产物及降解路径,鉴定出了 10种中间体,推导了 4种SMZ在协同体系中可能的降解途径,包括苯环的羟基化、S-N键的断裂以及苯环胺基的氧化。
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