PPCPs(Pharmaceuticals and Personal Care Products),即药品及个人护理用品,由于其持久性、生物累积性和远距离迁移性等特征,对生态系统和人类健康的潜在风险不容忽视。卡马西平(Carbamazepine,CBZ)是一种常见的抗癫痫和精神类药物,因其在废水中检出频率较高,是具有代表性的PPCPs类物质。传统生物法对卡马西平的去除率较低,因此开发一种经济高效的处理技术刻不容缓。本研究拟制备CuO/g-CN复合材料构建非均相类芬顿体系,选择卡马西平(Carbamazepine,CBZ)为处理对象,考察CuO/g-CN对CBZ去除效果,探讨催化降解机理。
①催化实验
将一定量的CuO/g-CN复合材料和 HO 加入100 mL、20 mg/L的CBZ溶液中,在20 ℃恒温条件下震荡反应,收集不同时间段的液体样品,测定CBZ浓度,考察材料的催化降解性能。将反应后的催化剂经醇洗和烘干后,进行重复实验,考察材料的稳定性和重复利用效率;②自由基猝灭实验
采用自由基淬灭实验确定该类芬顿体系的活性物种。在HO 投加前,分别加入50 mmol/L异丙醇(IPA)、0.15 mmol/L乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)和5 mmol/L L-组氨酸(L-His)作为∙OH、h和O的淬灭剂;③材料表征
采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS) 、氮气等温吸附/脱附曲线、傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)、X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)、X射线光电子能谱仪(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS),对催化剂的表面形貌、孔径结构、表面官能团、晶形结构及元素价态进行分析。
(1) 材料的表征分析可以得出:①SEM-EDS表征发现CuO/g-CN复合材料中含有C、N、O、Cu等元素,且各元素分布均匀。②N等温吸附/脱附曲线拟合可知,较复合前,CuO/g-CN比表面积和孔容积显著增大。③XRD 和XPS表征得出CuO与 g-CN成功复合,且二者之间形成异质结,存在较强的相互作用。(2 )材料的催化降解效能实验可以得出:①当卡马西平初始浓度为20 mg/L,在Cu的复合量7%,CuO/g-CN投加量2 g/L,HO投加量147 mmol/L的条件下,卡马西平的去除率最高,约为96.59%。②该类Fenton体系不受溶液pH的限制,且CuO/g-CN材料具有较好的稳定性,五次重复实验后卡马西平的去除率仍高达94.23%。(3) 材料的催化降解机理研究可以得出:①通过伪一级动力学模型的拟合,CBZ的降解速率常数为0.0053 min。②CuO/g-CN复合材料对CBZ的矿化率约为53.66%。③·OH和O是CuO/g-CN非均相类Fenton催化体系中主要的活性物种。④HO投加后主要通过三个步骤激发类Fenton反应:1) HO将取代之前吸附的HO而优先吸附在CuO/g-CN表面,其氢键键长为1.004 ;2) CuO/g-CN与HO发生电子交换;3) HO 分子O−O键长度由1.453 增加到1.509 ,O−O键电子密度降低将促进其断裂并分解产生∙OH。CuO/g-CN与HO之间的电子交换导致Cu(II)/ Cu(I)氧化还原过程的持续发生,进而分解HO产生大量的活性基团攻击CBZ分子,促进CBZ的降解。
(1) 通过煅烧法制备CuO/g-CN复合材料,其中Cu主要以氧化铜形式存在;(2) 以CuO/g-CN复合材料构建非均相类芬顿体系,对卡马西平的去除率达96.59%,∙OH和O是反应主要的活性物种;(3) CuO/g-CN复合材料具有较好的稳定性,重复使用5次后对CBZ的去除率仍高达94.23%。
卡马西平(Carbamazepine,CBZ)是一种常见的抗癫痫和精神类药物,也是具有代表性的PPCPs类物质。传统生物法对卡马西平的去除率很低,因此开发一种经济高效的处理技术刻不容缓。类石墨相氮化碳(g-C3N4)具有禁带宽度窄、合成方法简单、物化性质稳定、环境友好等优点,是极具潜力的类芬顿催化剂载体。CuO是一种带隙范围在1.3~1.6 eV的p型窄带隙半导体,与g-C3N4复合形成CuO/g-C3N4异质结,不仅可提高CuO的稳定性,减少溶液中Cu(II)的溶出,同时能提高Cu的电子传递效率,优化材料的催化性能。
本研究以CuO/g-C3N4复合材料构建非均相类芬顿体系,选择卡马西平(Carbamazepine,CBZ)为处理对象。结合反应动力学、自由基猝灭和密度泛函理论(Density Function Theory,DFT)计算,探讨其催化降解机制。试验结果显示,当卡马西平初始浓度为20 mg/L,在Cu的复合量为7%,CuO/g-C3N4投加量2 g/L,H2O2投加量147 mmol/L的条件下,卡马西平的去除率最高,约为96.59%。∙OH和1O2是催化过程的主要活性物种。该类Fenton反应不受溶液pH的限制且CuO/g-C3N4材料具有较高的稳定性。CuO/g-C3N4与H2O2之间的电子交换导致Cu(II)/Cu(I)氧化还原过程的持续发生,进而分解H2O2产生大量的活性基团攻击CBZ分子,促进CBZ的降解。本研究结果将为水中药品及个人护理品(PPCPs)的去除与控制、水质安全保障提供理论依据和技术支撑。
本研究采用煅烧法制备了CuO/g-C3N4复合材料,利用SEM-EDS、FT-IR、XRD、XPS分析其表面形貌、晶体结构以及元素价态等特征。选择卡马西平为目标污染物,探究CuO/g-C3N4复合材料应用于类芬顿体系的催化性能。试验结果显示,当卡马西平初始浓度为20 mg/L,在Cu的复合量7%,CuO/g-C3N4投加量2 g/L,H2O2投加量147 mmol/L的条件下,卡马西平的去除率最高,约为96.59%。该类Fenton体系不受溶液pH的限制,且CuO/g-C3N4材料具有较好的稳定性,五次重复实验后卡马西平的去除率仍高达94.23%。∙OH和1O2是催化过程的主要活性物种。CuO/g-C3N4与H2O2之间的电子交换导致Cu(II)/Cu(I)氧化还原过程的持续发生,进而分解H2O2产生大量的活性基团攻击CBZ分子,促进其降解。