CN109896579A - 一种Fe掺杂的g-C3N4纳米复合材料光催化降解水体中磺胺嘧啶的方法 - Google Patents

Abstract

一种Fe掺杂的g‑C₃N₄纳米复合材料光催化降解水体中磺胺嘧啶的方法，利用六水合氯化铁和二氰二胺作为前驱物，通过热聚合法合成Fe/g‑C₃N₄复合材料，Fe以Fe³⁺的形式镶嵌在g‑C₃N₄结构中，形成了Fe‑N配位键，从而将g‑C₃N₄的吸收波长从紫外光区拓展至可见光区。通过金属铁进行掺杂改性，便可充分利用太阳光以达到降解目的，提高g‑C₃N₄的光催化氧化能力，产生大量的超氧自由基、氧负离子、单线态氧等活性组分，最终提高g‑C₃N₄对磺胺嘧啶的降解效率。利用这种方法可以快速、高效降解磺胺嘧啶。

Description

一种Fe掺杂的g-C3N4纳米复合材料光催化降解水体中磺胺嘧 啶的方法

技术领域

本发明涉及一种Fe掺杂的g-C₃N₄纳米复合材料光催化降解水体中磺胺嘧啶的方法，属于环境治理领域。

背景技术

近年来，抗生素作为一种新型的环境污染物，抗生素的作用主要在于抑制细菌生长，因此对水生生物有着不可避免的影响。我国大部分地区均以地下水为引用水源，已有许多研究报道在其中检测出抗生素以及抗药性细菌，长期饮用会影响人体的免疫系统，降低机体免疫力，且微量的抗生素可能会影响人体肠道细菌平衡。更严重的是，抗生素能通过食物链富集，致使人群高浓度暴露，给人类健康带来极大威胁。目前，水体中抗生素的常规处理技术有污泥消化处理法、物化法（吸附、光降解、混凝-沉淀、电解）以及生物法（微生物降解作用）。光催化技术降解水体中的抗生素的去除率较高，但是可以应用的光催化剂种类较少，一般选择TiO₂作为主要催化剂，具有较高的选择性，但它的不足在于分离难回收、成本高（程宪伟,环境科学与技术, 2017,40: 126-135）。聚合物半导体石墨相氮化碳( g-C₃N₄)，由于优异的化学稳定性和独特的电子能带结构，被作为一种廉价、稳定、不含金属组分的可见光光催化剂广泛应用于太阳能的光催化转化，如光解水产氢产氧、有机选择性光合成和有机污染物的降解等（张金水，化学进展, 2014，26:19-29），并且金属元素掺杂改性的石墨相氮化碳能够降低其能带隙，能将光吸收范围扩宽至紫外-可见光区，从而提高对污染物的光敏氧化降解效率。

发明内容

本发明的目的在于一种可用于高效光催化降解水体中磺胺嘧啶的Fe掺杂g-C₃N₄纳米材料。以氯化铁为前驱物热聚合制备成复合材料后，Fe以Fe³⁺的形式镶嵌在g-C₃N₄结构中，形成了Fe-N配位键，金属掺杂可以改善g-C₃N₄催化剂的结晶度，优化g-C₃N₄的电子结构，降低空穴和表面光生电子的复合率，进而提高量子产率，缩短能带隙，拓宽光吸收范围，使其能够吸收紫外-可见光区的能量，因此便可充分利用太阳光进行降解，光催化效率得到提高。利用这种方法可以快速、高效降解磺胺嘧啶。

本发明的技术方案如下：

（1）Fe/g-C₃N₄纳米复合材料的制备：称取0.3 g -0.8 g二氰二胺，加入装有5 mL超纯水的烧杯中，再分别加入1-5 mL的氯化铁溶液（0.01M），将混合物在电炉上加热蒸至粉末状以去除水分，置于烘箱中在60 ^oC下烘干（烘12 h），随后将其转入15 mL瓷坩埚并置于马弗炉中，以5^oC·min^-1的速率升至550 ^oC并保持2-5h，再以5^oC·min^-1的速率降至室温。将得到的深黄色样品用超纯水洗3次并烘干（去除表面吸附的铁离子和NH₃）。

（2）上述Fe/g-C₃N₄纳米复合材料配成1 mg·mL^-1的悬浮液超声剥离2-4 h，然后在干净的培养板中依次加入超纯水、磺胺嘧啶（SDZ）、Fe/g-C₃N₄悬浮液，避光一段时间以达到吸附平衡，然后溶液用灯照射一段时间，实现光敏氧化降解水体中磺胺嘧啶（SDZ），经简单离心分离后取上层清液于磺胺嘧啶的最大吸收波长处用紫外分光光度计测定吸光度，从而计算磺胺嘧啶（SDZ）的降解率。

发明效果

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）Fe/g-C₃N₄纳米复合材料光催化降解效率高；

（2）所采用的光源为白光，更利于实际应用

（3）去除方法简单、快速、高效。

具体实施方式

实施例1

称取0.5 g二氰二胺，加入装有5 mL超纯水的烧杯中，再加入2mL氯化铁溶液（0.01M），将混合物在电炉上加热蒸至粉末状以去除水分，置于烘箱中在60 ^oC下烘干（烘12 h），随后将其转入15 mL瓷坩埚并置于马弗炉中，以5^oC·min^-1的速率升至 550 ^oC并保持 4 h，再以5^oC·min^-1的速率降至室温。将得到的深黄色样品用超纯水洗3次并烘干（去除表面吸附的铁离子和NH₃）。

将制备好Fe/g-C₃N₄纳米复合材料配成1 mg·mL^-1的悬浮液超声剥离3 h，然后依次加入超纯水、2μg·mL^-1的SDZ溶液和0.1mg·mL^-1的上述Fe/g-C₃N₄悬浮液于干净的24孔培养板中，振荡均匀后置于暗处1 h达吸附平衡，用白色LED灯光照1 h后，降解率为81.06%。

实施例2

称取0.5 g二氰二胺，加入装有5 mL超纯水的烧杯中，再加入3 mL氯化铁溶液（0.01M），将混合物在电炉上加热蒸至粉末状以去除水分，置于烘箱中在60 ^oC下烘干（烘12 h），随后将其转入15 mL瓷坩埚并置于马弗炉中，以5^oC·min^-1的速率升至 550 ^oC并保持 4 h，再以5^oC·min^-1的速率降至室温。将得到的深黄色样品用超纯水洗3次并烘干（去除表面吸附的铁离子和NH₃）。

将制备好Fe/g-C₃N₄纳米复合材料配成1 mg·mL^-1的悬浮液超声剥离3 h，然后依次加入超纯水、2μg·mL^-1的SDZ溶液和0.075 mg·mL^-1的上述Fe/g-C₃N₄悬浮液于干净的24孔培养板中，振荡均匀后置于暗处1 h达吸附平衡，用白色LED灯光照 2 h后，降解率为99.68%。

Claims (4)

1.一种Fe掺杂的g-C₃N₄纳米复合材料光催化降解水体中磺胺嘧啶的方法，特征在于包括以下二个步骤：

（1）Fe/g-C₃N₄纳米复合材料的制备：称取0.3 g -0.8 g二氰二胺，加入装有5 mL超纯水的烧杯中，再分别加入1-5 mL的氯化铁溶液（0.01M），将混合物在电炉上加热蒸至粉末状以去除水分，置于烘箱中在60 ^oC下烘干（烘12 h），随后将其转入15 mL瓷坩埚并置于马弗炉中，以5^oC·min^-1的速率升至550^oC并保持2-5h，再以5^oC·min^-1的速率降至室温，将得到的深黄色样品用超纯水洗3次并烘干（去除表面吸附的铁离子和NH₃）；

（2）光催化降解水体中的磺胺嘧啶：上述Fe/g-C₃N₄纳米复合材料配成1 mg·mL^-1的悬浮液超声剥离2-4 h，然后在干净的培养板中依次加入超纯水、磺胺嘧啶（SDZ）、Fe/g-C₃N₄悬浮液，避光一段时间以达到吸附平衡，然后溶液用灯照射一段时间，实现光敏氧化降解水体中磺胺嘧啶（SDZ），经简单离心分离后取上层清液于磺胺嘧啶的最大吸收波长处用紫外分光光度计测定吸光度，从而计算磺胺嘧啶（SDZ）的降解率。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于使用的材料为Fe掺杂的g-C₃N₄纳米复合材料。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于光源为白光。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于光照时间为0.5-2 h。