作者简介:张 帆,1988,女,硕士,助教。E-mail:842460400@qq.com
采用浸渍法制备了酞菁类复合催化剂,并利用扫描电镜、X射线衍射及红外等对其进行表征。以四环素为底物,探究了降解条件对复合催化剂的光催化降解四环素性能的影响。结果表明,当溶液呈弱碱性,在光照开始时加入过氧化氢1.5 mmol·L-1,催化剂与四环素的物质的量比为0.008 5∶1和光照时间60 min的条件下,四环素降解率达99%。
Phthalocyanine composited catalyst was prepared by dipping method and characterized by SEM,XRD and FT-IR.The effect of the degradation conditions on the photocatalytic performance of composited catalyst for tetracycline was investigated.The results showed that the tetracycline degradation efficiency was up to 99% when the solution was weakly basic,the amount of hydrogen peroxide was 1.5 mmol·L-1 as the light beginning,the mole ratio of catalyst to tetracycline was 0.008 5∶1,and the light time was 60 min.
抗生素类物质对各种病原微生物有较强的抑制或杀菌作用, 我国作为抗生素需求大国, 每年生产约2.1× 105 t的抗生素, 以满足医疗、农业和畜牧等行业的需求[1]。但由于抗生素在生物体内代谢率一般较低, 含有抗生素残留的有机污染物流入到水体中, 严重危害人类健康及水生动植物和微生物的生存, 因此, 对废水中抗生素的治理迫在眉睫。
目前, 降解废水中抗生素的方法主要包括生物降解法和非生物降解法, 其中非生物降解法包括氧化降解法、超声波降解法和光催化降解法等。光催化降解技术是利用自然光在光催化剂下将有机污染物降解为H2O、CO2等对环境零污染的小分子, 因其具有绿色、高效、无二次污染等优点, 近年来成为水污染处理方面研究的热点[2, 3]。
随着光催化材料研究的不断深入, 新型光催化材料不断地涌现出来。Bi3+和Bi5+分别具有6s2和6s0电子构型, 有较好的可见光活性[4, 5, 6], 因此, 铋系化合物及其铋系复合光催化剂的制备和活性研究受到广泛关注。Bi2WO6是 Aurivillius 成员中结构最简单的物质之一, 具有良好的半导体性质, 如铁电、压电、热电、光催化性能[7, 8, 9]。1999年, Akihiko Kudo等[10]首次报道了Bi2WO6的可见光催化活性, 近年来的研究表明, 铋系催化剂的可见光活性虽有明显的提升[11, 12, 13, 14], 但因铋系催化剂存在量子效率不高、可见光利用率低等缺点, 因此仍制约着铋系催化剂的工业化应用。为了提高钨酸铋的催化活性, 除了改变其形貌特征、表面修饰、构建异质结和组成调控外, 主要对钨酸铋进行非金属、金属、贵金属以及稀有金属的掺杂或负载, 在一定程度上提高了钨酸铋系光催化剂的催化性能[15, 16, 17, 18, 19, 20, 21]。
酞菁具有四氮杂四苯并卟啉结构, 类似于自然界中广泛存在的卟啉, 对光、热甚至酸碱都具有较高的稳定性、很强的配位能力, 可形成具有特殊颜色的各种金属配合物。酞菁材料是优良的光敏材料, 广泛用于太阳能光敏材料, 作为催化剂用于有机物的合成等。研究表明, 以过氧化物如过氧化氢、过硫酸、有机过氧化物为氧化剂, 在可见光或紫外光条件下, 金属酞菁可有效降解染料废水, 如铁酞菁、钴酞菁等对染料废水中的亚甲基蓝、罗丹明B、活性黑和活性黄等有很好的降解作用[22, 23, 24, 25]。
本文采用浸渍法制备新型金属酞菁复合光催化剂, 并利用扫描电镜、X射线衍射及红外等对其进行表征。以自然光为光源, 探究降解条件如溶液的酸碱性、过氧化氢用量、催化剂用量及过氧化氢加入时间等对催化降解四环素性能的影响。
二水合钨酸钠, 分析纯, 上海麦克林生化科技有限公司; 五水合硝酸铋, 分析纯, 上海麦克林生化科技有限公司; 四环素, 分析纯, 上海麦克林生化科技有限公司, 使用前配制成所需浓度的四环素溶液。其他试剂也均为分析纯, 使用前未经特殊处理。
100 mL高压釜; DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱, 上海一恒科学仪器有限公司; 岛津UV-2600 型紫外可见分光光度计, 岛津企业管理(中国)有限公司; CEM-DT-1300 数字式照度计, 深圳华盛昌机械实业有限公司; sigma500扫描电镜, 德国卡尔· 蔡司公司, 在电压20 kV, 电流10 μ A的条件下进行样品扫描; D8 Advance型的X射线衍射仪, 德国布鲁克公司, 采用Cu Kα 射线, 工作电压40 kV, 工作电流30 mA, 扫描范围5° ~80° , 扫描速率为1.2° · min-1; Nicolet380型的傅里叶变换红外光谱仪, 美国Thermo Fisher Scientific 公司, 以m(样品)∶ m(KBr)约为1∶ 100压片制样, 在(400~4 000) cm-1范围内进行扫描测试。
1.2.1 钨酸铋催化剂制备
称取一定量的五水硝酸铋, 超声搅拌溶于水中, 加入适量的硝酸调节溶液的pH值, 再加入一定量的二水钨酸钠, 搅拌一定时间。将混合溶液转移至反应釜中, 在一定的温度下水热反应一段时间, 冷却至室温, 用无水乙醇和水冲洗数次, 60 ℃干燥过夜, 在一定的温度下焙烧, 得到白色粉末状的催化剂, 记为BW。
1.2.2 酞菁类复合催化剂制备
称取一定量上述制备的催化剂粉末溶于水中, 超声搅拌, 使其形成混合溶液A, 再将适量的酞菁钴溶于甲醇中形成溶液B, 将B溶液逐渐加入到A溶液中形成溶液C, 室温下磁力搅拌一段时间后, 离心分离, 60 ℃干燥过夜, 在一定的温度下焙烧, 得到蓝色粉末状的催化剂, 记为Pc-Co/BW。
称取一定量的Pc-Co/BW催化剂, 分散于25 mg· L-1的四环素溶液中。暗吸附30 min后, 置于自然光下降解, 定时取样, 用紫外-可见分光光度计测定溶液在350 nm(四环素TC的特征吸收峰)处的吸光度值的变化, 以降解率来评价催化剂的光催化性能。光催化降解率由下式计算:
降解率=
式中, A0为四环素溶液达到吸附平衡以后的吸光度; At为不同光催化反应时间抽取样品的吸光度。
2.1.2 SEM
单一催化剂BW和酞菁类复合催化剂Pc-Co/BW的扫描电镜照片如图1所示。
从图1可以看出, 单一催化剂BW呈现出大小不均匀的圆饼状形貌。与单一催化剂BW相比, 复合催化剂Pc-Co/BW样品形貌为不规则的团状物, 说明Pc-Co的负载对BW的形貌产生较大的影响。
2.1.2 XRD
图2为催化剂BW和Pc-Co/BW的XRD图。
从图2可以看出, 催化剂BW和Pc-Co/BW均在2θ =28.3° 、32.8° 、47.1° 、55.9° 、58.5° 、76.1° 和78° 出现了不同强度的衍射峰, 分别对应Bi2WO6晶体的(131)、(200)、(202)、(133)、(226)、(193)和(145)晶面, 与Bi2WO6的标准卡片 (JCPDS 39-0256) 完全吻合, 属于正交晶系Bi2WO6矿型结构, 图中未出现其他明显的衍射峰, 表明所制备样品的纯度较高、结晶度较好。样品Pc-Co/BW衍射峰强度较样品BW弱, 表明其结晶度不及单一的催化剂。此外, 两个催化剂的XRD图大致相同, 复合催化剂并未出现其他杂质相, 表明Pc-Co并没有掺杂到钨酸铋的晶格结构中, 推测仅在催化剂BW表面上负载。
2.1.3 IR
单一催化剂BW和复合催化剂Pc-Co/BW红外谱图如图3所示。
从图3可以看出, 催化剂BW和Pc-Co/BW的红外光谱大致相同, 说明复合催化剂的制备并未改变其骨架结构。当波数在3 428 cm-1处, 对应于样品表面羟基的O— H的伸缩振动, 且在1 645 cm-1处的吸收峰为游离水H— O— H弯曲振动峰, 吸收峰在820 cm-1、734 cm-1和564 cm-1处分别对应的是O— W— O键的对称伸缩振动、 W— O— W键的非对称伸缩振动、W— O键的伸缩振动。此外, 除上述骨架峰外, 复合催化剂Pc-Co/BW的红外光谱图中未见其他明显吸收峰, 说明Pc-Co只是表面负载, 并未进入BW的骨架结构, 这与XRD的表征结果相一致。
在光照强度约80.0 klux, n(催化剂)∶ n(四环素)=0.255∶ 1, H2O2浓度1.5 mmol· L-1和近中性溶液条件下, 催化剂BW和Pc-Co/BW的催化性能如图4所示。从图4可以看出, 暗吸附30 min时, 复合催化剂Pc-Co/BW的催化活性略高于单一催化剂BW。随着光照时间延长, 两种催化剂催化四环素的降解率均呈现增加趋势, 但复合催化剂催化降解四环素的效果较好。当光照60 min下, BW和Pc-Co/BW催化四环素的降解率分别约30%和50%, 表明复合催化剂Pc-Co/BW的催化性能优于单一催化剂BW。
2.3.1 四环素溶液的酸碱性
在光照强度约80.0 klux, n(催化剂)∶ n(四环素)=0.255∶ 1和H2O2浓度1.5 mmol· L-1条件下, 四环素溶液的酸碱性对Pc-Co/BW催化降解活性影响如图5所示。从图5可以看出, 暗吸附30 min时, 酸性或碱性溶液有利于Pc-Co/BW催化降解四环素。当光照60 min下, 溶液为酸性、近中性、碱性时, Pc-Co/BW催化四环素的降解率分别约30%、50%和62%, 即随溶液pH的增加, Pc-Co/BW光催化降解四环素的性能逐渐提高。这可能是因为碱性条件提供了更多的· OH附着在催化剂表面, 有利于Pc-Co/BW催化氧化四环素分子, 因此在一定程度上提高了其催化活性。
![]() | 图5 溶液的酸碱性对Pc-Co/BW催化性能的影响Figure 5 Effects of acid and alkali aqueous solution on catalytic performance of Pc-Co/BW catalyst |
2.3.2 过氧化氢用量
在光照强度约80.0 klux, n(催化剂)∶ n(四环素)=0.255∶ 1和溶液pH为弱碱性条件下, 考察了过氧化氢用量对复合催化剂Pc-Co/BW催化降解活性影响, 结果如图6所示。由图6可知, 当不加过氧化氢, 光照60 min, 四环素的降解率仅为30%; 而随着过氧化氢用量的增大, 光催化率也逐渐增加, 当过氧化氢用量最大即3.0 mmol· L-1, 光照60min, 降解率率达65%。过氧化氢用量为1.5 mmol· L-1和3.0 mmol· L-1时, Pc-Co/BW的催化效果相差不大, 故从降低成本、节约资源的角度考虑, 过氧化氢用量宜采用1.5 mmol· L-1。
![]() | 图6 过氧化氢用量对Pc-Co/BW催化性能的影响Figure 6 Effects of amounts of hydrogen peroxide on catalytic performance of Pc-Co/BW catalyst |
2.3.3 催化剂用量
在光照强度约80.0 klux, H2O2浓度1.5 mmol· L-1和溶液pH为弱碱性条件下, 考察Pc-Co/BW催化剂用量对催化降解性能的影响, 结果如图7所示。
![]() | 图7 催化剂用量对Pc-Co/BW催化性能的影响Figure 7 Effects of catalyst dosage on catalytic performance of Pc-Co/BW catalyst |
由图7可以看出, 暗吸附30 min时, 随着催化剂用量增加, 光催化降解率逐渐增大至18%左右。在自然光照条件下, 当不加催化剂, 光照时间60 min时, 光催化效率仅约15%, 而当n(催化剂)∶ n(四环素)=0.008 5∶ 1时, Pc-Co/BW的催化降解效果最佳, 降解率高达95%左右。同时由图7可以看出, 催化剂用量越多, 催化效果越差。分析原因可能是同等条件下, 过量的催化剂在强光的辅助下加速了过氧化氢的无效分解, 造成催化剂表面附着的· OH较少, 故催化剂的催化活性较低。
2.3.4 过氧化氢加入时间
在光照强度约80.0 klux, n(催化剂)∶ n(四环素)=0.008 5∶ 1, H2O2浓度1.5 mmol· L-1和溶液pH为弱碱性条件下, 过氧化氢加入时间对Pc-Co/BW催化降解四环素性能的影响如图8所示。由图8可以看出, 光照开始时加入过氧化氢, 催化剂的催化活性最高, 光照60 min时, 光催化率高达99%。而光照15 min时加入过氧化氢, 催化剂的催化活性最差, 光照60 min时, 降解率仅为80%左右。暗吸附开始时加入过氧化氢, 尽管没有光照, 但催化剂仍能使得过氧化氢发生少部分分解, 因而, 相比于光照开始时加入过氧化氢, 催化活性有所降低。而光照15 min加入过氧化氢的催化活性低可能是强光加速了过氧化氢无效分解, 过氧化氢未来得及与底物和催化剂作用, 因而催化降解效果降低明显。
(1) 采用浸渍法合成了金属酞菁/钨酸铋复合催化剂并进行了表征, 结果表明, 金属酞菁并未进入钨酸铋的晶格结构, 属于表面吸附。
(2) 四环素溶液的酸碱性对Pc-Co/BW催化降解四环素性能影响较大, 随着溶液碱性增强, 其催化降解四环素的活性逐渐增加, 弱碱性条件下, Pc-Co/BW的催化效果较佳。
(3) Pc-Co/BW的催化活性随过氧化氢用量的增加而逐渐提高, 当过氧化氢用量为1.5 mmol· L-1和3.0 mmol· L-1时, Pc-Co/BW的催化效果相差不大, 故从降低成本、节约资源的角度考虑, 过氧化氢用量宜采用1.5 mmol· L-1。
(4) 催化剂Pc-Co/BW用量对催化降解四环素的性能影响较大, 在光催化反应中, 宜加入适量的催化剂, 从而达到最佳的催化效果。
(5) Pc-Co/BW的光催化性能受过氧化氢加入时间影响较大, 当溶液呈弱碱性, 在光照开始时加入过氧化氢1.5 mmol· L-1, 催化剂与四环素的物质的量比为0.008 5∶ 1和光照时间60 min的条件下, 四环素降解率达99%。
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
|
[21] |
|
[22] |
|
[23] |
|
[24] |
|
[25] |
|