BiOCl吸附/光催化去除水中典型有机污染物的机理研究

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BiOCl(氯氧化铋)是一种新型光催化材料,对水环境中的染料、药物和个人护理用品(PPCPs)等有机污染物具有高效的去除作用。目前,关于BiOCl去除水中有机物的作用机理一般认为是由光催化氧化引起的,而严重忽略了其对有机物的吸附作用。本文选择6种染料、3种PPCPs以及多种小分子有机物羧酸作为目标污染物,研究了BiOCl吸附/光催化去除它们的效能和机理,并重点研究了BiOCl吸附典型染料和PPCPs的作用机制。首先采用溶剂热法成功的制备了BiOCl微米球,通过X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM),高分辨透射电镜(HRTEM), N2吸附-脱附、紫外-可见反射光谱等技术手段对制备的催化剂进行了表征。制备BiOCl微米球直径约为3-5 μm,每个微球都由粒径小于20 nm的纳米颗粒组成,其BET比表面积为16.31 m2/g,禁带宽度为3.38 eV。BiOCl微米球对水中有机物的吸附能力直接决定了其对有机物的光催化活性。吸附率越高、光催化活性越高;没有吸附就没有可见光催化活性。吸附率占BiOCl可见光催化去除率的比重为80%-95%以上;吸附率占BiOCl紫外光催化去除率的比重为30%-90%以上。确认了BiOCl与有机物之间光催化氧化的作用有限,其高光催化活性,主要来源于吸附作用。BiOCl自身会发生水解,其外表面的C1可以发生解离形成Cl",并在裸露出的Bi表面吸附OH-。有机物分子可以与Cl-、OH竞争吸附于Bi表面,使Bi的外电子层与有机物中的共轭π键形成软酸对软碱的络合反应。通过红外光谱(FTIR)与X-射线光电子能谱(XPS)分析进一步证明了有机羧酸与BiOCl吸附通过Bi与羧基的络合成键反应发生。最后通过大量小分子有机物吸附实验,发现了BiOCl吸附有机羧酸效率与其π电子云密度与半径正相关,BiOCl微米球吸附有机物效率受到C1解离后空穴内空间位阻的影响。本文提出的BiOCl吸附有机物的作用机理可以有效解释了BiOCl选择性去除水中有机物的实验现象,补充了BiOCl光催化氧化去除水中有机污染物的作用机理,为水中染料.PPCPs等有机污染物的去除和控制提供了新方法和新材料。
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