一种可见光响应光催化纤维降解水中有机污染物研究

2022-05-10陈淑君单兴刚王刚强梁诗钧吴宇杨张佳敏

科学技术创新 2022年14期

陈淑君单兴刚* 王刚强* 梁诗钧吴宇杨张佳敏

（浙江理工大学科技与艺术学院，浙江绍兴 312369）

化石能源的日渐枯竭和环境问题日益突出，能源和环境是人们极度关注的话题。其中，水体中一些难降解有机污染物例如农药、抗生素、氯代芳香族化合物等进入环境体系问题严重威胁到人类健康和生态平衡[1]。因此亟需寻找一种高效节能的方法处理这些有机污染物。

近年来，石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种可见光响应的半导体光催化剂，可以利用自然界源源不断的太阳光驱动半导体产生电子- 空穴对，进而对污染物达到降解作用，具有合成简单、电子能带结构可调、物理化学稳定性高、无毒、环境友好等优点，引起了人们的广泛关注[2-3]。然而, g-C3N4粉体在水中易团聚, 难回收无法重复利用，这大大限制了它的实际应用[4]。纤维材料作为一种细长型材料，与环境的关系十分密切，具有比表面积大、柔软性好、编制加工性优，以及与有机污染物亲和性，因此纤维在消除污染物过程中具有独特的优势。

本研究以皮芯结构聚酯纤维和粘胶纤维混纺无纺布为载体，通过浸轧和热烘工艺将粉末型g-C3N4催化剂进行负载，得到具有可见光响应的功能性光催化纤维，探究了浸轧次数，烘燥温度，溶液pH 对光催化性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器设备

实验材料：尿素，天津市永大化学试剂有限公司；磺胺喹恶啉(SQX)，百灵威科技有限公司；氢氧化钠，杭州高晶精细化工有限公司。

仪器设备：SUN-Q-Light 光反应器(Xe-1-BC)，美国Q-Lab 公司；pH 计，美国Mettler 公司；超高效液相色谱仪(UPLC)，美国Waters 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 石墨相氮化碳（g-C3N4）的制备

将10g 尿素放入坩埚盖好盖子，放入管式炉以2.5℃/min 升温速率加热至550℃并保持4h 得到黄色产物，即为g-C3N4粉末。

1.2.2 光催化纤维材料的制备

将5g 制备好的g-C3N4粉末放入1L 去离子水中超声24h，待催化剂超声均匀后将聚酯纤维和粘胶纤维混纺的无纺布（C-PET）浸入催化剂悬溶液进行浸轧处理。轧机的两个辊之间的压力为0.2MPa，辊的转速为20rpm，根据制备工艺浸轧过程分为一浸一轧，两浸两轧，三浸三轧。然后将浸轧好的无纺布放于100℃烘箱预烘，最后取出进行烘燥处理，烘燥温度根据工艺设为100℃，120℃，140℃，160℃。最终得到负载有g-C3N4光催化纤维材料（CN/C-PET）。

1.2.3 光催化实验

本研究所制备的光催化纤维材料的光催化活性。通过采用Q-SUN Xe-1 太阳光模拟器用于模拟夏日正午太阳光，研究光催化纤维在模拟太阳光下降解磺胺喹恶啉来评价其光催化性能。取30ml 浓度为2.5*10-5mol/l SQX 溶液于40ml 样品瓶中，放入300mg 制备好的光催化纤维（CN/PET）,将样品瓶置于太阳光模拟器中，打开光源并进行光催化实验。其中灯管与样品瓶的距离为20cm。

2 结果与讨论

2.1 光催化性能测试

图1 为CN/C-PET 光催化纤维在pH 为3，SQX 浓度为2.5*10-5mol/L 溶液中的光催化性能实验，图中可以看到，在只有模拟太阳光照下，SQX 几乎不降解。而在黑暗条件下，CN/C-PET 光催化纤维也几乎不降解SQX，SQX仅下降约10%，这可能是纤维材料对SQX 的吸附作用。CN/C-PET 在模拟太阳光下，SQX 降解达95%以上。说明CN/C-PET 光催化纤维在太阳光下具有优异的光催化性能。

图1 CN/C-PET 在模拟太阳光下降解磺胺喹恶啉

2.2 溶液pH 对光催化性能影响

图2 为不同底物溶液pH 值下，CN/C-PET 的光催化性能实验。从图中可以看到，CN/C-PET 的光催化效率随pH 的减小而增大。在pH3 下降解SQX 速率最快，而当pH 升至7 和9 时，SQX 降解速率减慢，光照5h 后SQX去除率分别约为95%和92%。根据相关的研究报道[5]，这是因为在酸性条件下更容易形成羟基自由基。总体而言，CN/C-PET 在宽谱的pH 范围中具有优异的光催化活性。

图2 CN/C-PET 在不同pH 溶液中的光催化性能测试

2.3 浸轧次数对光催化性能影响

在光催化纤维制备工艺中，探讨了不同浸轧次数对光催化性能的影响。如图3 实验结果显示两浸两轧和三浸三轧的光催化效率大于一浸一轧，这可能由于一浸一轧的工艺还没有使g-C3N4光催化剂完全覆满纤维表面。三浸三轧的光催化效率与两浸两轧相差不大，因此选择两浸两轧的工艺更经济。

图3 光催化纤维在不同浸轧次数下的光催化性能测试

2.4 烘燥温度对光催化性能影响

图4 显示了光催化纤维在不同烘燥温度下降解SQX 性能实验。实验结果显示，在100℃，120℃和140°C 烘燥条件下所制备的光催化纤维对SQX 的降解活性相接近，光照3 小时的SQX 的去除率均达到接近100%。而当烘燥温度升至160℃，光催化活性明显下降，这可能是由于过高的温度使聚酯纤维熔融后将部分表面的催化剂包裹进去。

图4 光催化纤维在不同烘燥温度下的光催化性能测试

2.5 光催化纤维的循环性能

除了光催化活性，催化材料的循环稳定性也是需要考虑的一个重要因素。图5 为3 种烘燥温度下光催化纤维的循环测试。100℃和120℃烘燥下的光催化纤维在第二次循环时SQX 去除率就明显下降，这是因为在该温度下，g-C3N4光催化剂在纤维上未粘合牢固，在第一次光催化水处理中不少催化剂从纤维上脱落。而140℃烘燥下的光催化纤维不仅具有优异的光催化性能，且具有良好的循环稳定性，在五次循环后SQX 的去除率达97%。

图5 不同烘燥温度下的光催化纤维循环性能

2.6 光催化纤维样品分析

对光催化样品进行紫外可见漫反射光谱分析，如图6 为CN/C-PET 紫外可见漫反射光谱图。查文献可知，聚酯纤维和粘胶纤维的吸收带主要在紫外区域，而CN/C-PET 在紫外可见漫反射谱图显示了一个较宽的吸收带，这显然是g-C3N4与纤维材料联结导致。故而该实验结果可以表明浸轧及烘燥处理后g-C3N4在无纺布上能够实现较好的负载，且具有较好的可见光响应。通过图谱分析与性能测试基本一致说明可见光相应。