海胆状W18O49基纳米复合材料降解水中喹诺酮类抗生素的研究

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抗生素广泛用于畜牧业、水产养殖业和医疗,目前对环境残留问题高度关注。由于具有保护绿色环境、单纯的反应条件、低能源消耗等优点,光催化技术在水中含有的抗生素应用领域备受关注。W18O49是一种宽禁带n型半导体,具有不寻常缺陷结构和强烈的近红外吸收特性,W18O49形貌对性能起着重要的决定作用,与一维和二维纳米结构相比,三维海胆状结构具有体积比高,载流子运输途径独特,小的有机分子运输途径丰富等优点。本文以海胆状W18O49基体,利用复合的方式增强了其光催化活性,围绕医疗废水中喹诺酮类抗生素去除难题展开了一系列研究,具体结果如下:以氮掺杂碳量子点作为晶种,WCl6作为前驱体,乙醇作为溶剂在反应温度240℃和水热时间20 h的条件下利用水热法制备了一系列W18O49光催化剂,考察了不同质量比的N-CQDs对W18O49的形貌影响。并利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)、荧光光谱分析(PL)、紫外可见光谱分析(UV-vis)等分析测试手段对催化剂的理化性质进行了解析。结果表明,在加入质量比为5%的氮掺杂碳量子点时,材料呈现出海胆状并且性能最佳。W18O49(5)在可见光和近红外光条件下表现出最佳光催化性能,降解率分别为60.4%和65.8%。SEM、XRD结果证实了成功制备出海胆状的W18O49,PL、UV-vis显示了海胆状W18O49表现出优异的光催化性能。再此基础上通过复合N-CQDs和NS-CQDs,制备出海胆状W18O49/N-CQDs,海胆状W18O49/NS-CQDs,实验中将在可见光和红外光下催化剂对水中喹诺酮类抗生素的降解效率作为评价指标。并利用荧光光谱分析(PL)和紫外可见光谱分析(UV-vis)进行了测试分析,结果表明N-CQDs、NS-CQDs与海胆状W18O49的复合提高了光催化效率,其中海胆状W18O49/NS-CQDs(3)光催化性能最佳,在可见光和红外光条件下对10 mg/L左氧氟沙星的降解率分别为70%和79%;对10 mg/L环丙沙星的降解率分别为73%和80%;对10 mg/L诺氟沙星的降解率分别为85%和90%。鉴于在实际抗生素废水处理过程中可能遇到的问题,将最优的W18O49/NS-CQDs(3)作为光催化剂,进行了效能影响因素的探究实验,其中p H值影响实验结果显示在p H值为中性时更有利于喹诺酮类抗生素的去除。考虑到实际废水的复杂性本文进行了实际废水的喹诺酮类抗生素去除实验,当水质背景为生活污水时,对喹诺酮类抗生素的去除可达到85.1%。与实验室配置喹诺酮类抗生素废水相比,去除率下降的主要原因是因为实际废水中含有有机物和无机盐等可作为强活性物种捕获剂,从而影响了光催化降解效率。本文搭建了光催化剂降解含喹诺酮类抗生素废水的动态反应器,通过加入海胆状W18O49/NS-CQDs(3)光催化剂对10 mg/L诺氟沙星进行光催化试验,动态反应器光催化结果表明,动态反应器循环1040 min后对诺氟沙星的去除能力仍可达到82%。
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