自然光下g-C3N4的甲基橙去除性能研究

朱鴻博 徐 靚

(湖南城市學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 益陽 413099)

在愈加嚴(yán)峻的環(huán)境治理態(tài)勢下，如何有效的降低有機(jī)污染廢水對自然流域的污染顯得極為重要。光催化技術(shù)，特別是可見光光催化技術(shù)，成為一種綠色、高效、節(jié)能的廢水處理手段[1-2]。其能有效的通過產(chǎn)生活性自由基，來分解水中的有機(jī)污染物，近年來，受到國內(nèi)外的廣泛研究[3]。但是，大量關(guān)于g-C3N4的研究都主要集中于實(shí)驗(yàn)室階段的測試，利用氙燈模擬日光[4-5]。這種測試方式，其氙燈的光照強(qiáng)度和溫度難以等同于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的日光效果，所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不利于評價(jià)g-C3N4材料的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

為此，本文中，采用尿素、二氰二胺、三聚氰胺作為原料，分別合成了3種不同類型的g-C3N4材料。在分別測試了其甲基橙降解性能，并分析了其最佳的應(yīng)用固液比和對甲基橙的濃度處理范圍。最后再在實(shí)際的日光下，評價(jià)了不同時(shí)段下，g-C3N4對甲基橙的日光處理效果。

1 材料合成

1.1 試劑

本研究采用的原料均為分析純且購自天津科密歐公司。

1.2 g-C3N4的合成

準(zhǔn)確稱取10 g尿素、二氰二胺、三聚氰胺，分別置于30 mL的坩堝中，以5℃/min的升溫速率升至530℃后，持續(xù)熱聚合處理4 h，得到的黃色產(chǎn)物研磨充分后，密封保存。根據(jù)原料的不同，分別命名為uCN(尿素)、dCN(二氰二胺)、mCN(三聚氰胺)。

1.3 甲基橙降解效果

以合成的g-C3N4作為催化劑，在日光下(13：00-14：00)曬一定時(shí)長后，取2 mL反應(yīng)后的催化劑和甲基橙混合樣，過濾后測定其462 nm下的吸光度值，根據(jù)瑯勃比爾定律，求出甲基橙的濃度，計(jì)算出出甲基橙的降解率。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 XRD結(jié)果

分析了合成樣品的X射線衍射峰，如圖1所示?？梢钥闯觯N材料都具有兩個(gè)13.1°和27.3°的g-C3N4特征峰，這表明三種原料都成功的制備出了g-C3N4，而峰強(qiáng)度的不同也表明不同原料合成的g-C3N4存在一定的晶體結(jié)構(gòu)差異。

圖1 不同原料合成的g-C3N4的XRD結(jié)果

2.2 SEM表征

采用SEM進(jìn)一步觀察合成的g-C3N4材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖2所示。可以看出，三種材料都具有明顯的g-C3N4層狀堆疊的結(jié)構(gòu)特征，且以尿素作為原料合成的g-C3N4的結(jié)構(gòu)最為蓬松。愈加多孔的結(jié)果，能促進(jìn)更多的表面接觸位點(diǎn)的暴露，從而增加與溶液中甲基橙分子的接觸概率，增加反應(yīng)的可能性。

3 降解性能

3.1 不同原料的影響

首先分析了三種不同g-C3N4的甲基橙降解效果，如圖3所示。明顯看出，固液比為1%時(shí)，尿素合成的uCN能最快的完成對濃度為20mg/L的甲基橙的降解，60min內(nèi)，降解率可達(dá)99%。同時(shí)，dCN和mCN也能有有效的去除甲基橙，這表明g-C3N4材料在環(huán)境中有機(jī)物廢水處理上的應(yīng)用前景。

圖3 不同原料合成的g-C3N4的甲基橙去除效果

3.2 不同液料比的影響

進(jìn)一步分析了光催化劑添加量對甲基橙降解效果的影響，如圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著固液比的增加，甲基橙降解率不斷提高，當(dāng)固液比達(dá)到1%時(shí)，甲基橙的降解率達(dá)到峰值。此時(shí)，繼續(xù)增加催化劑的量，甲基橙的降解率將不再提高。因此，可認(rèn)為最佳的固液比比例為1%。

圖4 不同固液比下的甲基橙降解率

3.3 甲基橙濃度的影響

繼續(xù)分析了g-C3N4光催化對甲基橙的濃度處理范圍，如圖5可以看出，在固液比為1%時(shí)，g-C3N4能在5-50mg/L濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對甲基橙的有效去除。其中uCN具有最佳的光催化去除效果，在中等濃度下的含甲基橙廢水中，能實(shí)現(xiàn)最高的降解率。

圖5 不同甲基橙濃度對g-C3N4的降解效果的影響

3.4 不同時(shí)段的甲基橙降解效果

為實(shí)現(xiàn)綠色化工藝的開發(fā)，本文驗(yàn)證了日光下g-C3N4的光催化效果。為此，于2020年6月15日在湖南城市學(xué)院進(jìn)行了室外日光降解測試，于特定的時(shí)間段，按固液比為1%、反應(yīng)時(shí)間為60min、甲基橙濃度為20mg/L測定了甲基橙降解效果?？梢钥闯?，室外溫度和日照強(qiáng)度對光催化效率起著關(guān)鍵作用。特別是當(dāng)日照效果和環(huán)境溫度強(qiáng)烈的11：00-14：00時(shí)段，不同原料制備的g-C3N4都展現(xiàn)出了最佳的光催化性能。特別是，尿素合成的uCN能在該時(shí)段下，實(shí)現(xiàn)90%以上的光催化效果，具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

本研究探究了自然光下，不同原料合成的g-C3N4的有機(jī)污染物去除性能。結(jié)果表明，g-C3N4是一種優(yōu)良的綠色光催化劑，能有效的在日光環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對水體中等濃度的甲基橙污染物的90%以上的去除率，是一種極具潛力的環(huán)境治理光催化材料。

圖6 不同時(shí)段下的甲基橙日光降解率及相應(yīng)的溫度表