一種可見光響應光催化纖維降解水中有機污染物研究

陳淑君 單興剛* 王剛強* 梁詩鈞 吳宇楊 張佳敏

（浙江理工大學科技與藝術學院，浙江 紹興 312369）

化石能源的日漸枯竭和環境問題日益突出，能源和環境是人們極度關注的話題。其中，水體中一些難降解有機污染物例如農藥、抗生素、氯代芳香族化合物等進入環境體系問題嚴重威脅到人類健康和生態平衡[1]。因此亟需尋找一種高效節能的方法處理這些有機污染物。

近年來，石墨相氮化碳（g-C3N4）作為一種可見光響應的半導體光催化劑，可以利用自然界源源不斷的太陽光驅動半導體產生電子- 空穴對，進而對污染物達到降解作用，具有合成簡單、電子能帶結構可調、物理化學穩定性高、無毒、環境友好等優點，引起了人們的廣泛關注[2-3]。然而, g-C3N4粉體在水中易團聚, 難回收無法重復利用，這大大限制了它的實際應用[4]。纖維材料作為一種細長型材料，與環境的關系十分密切，具有比表面積大、柔軟性好、編制加工性優，以及與有機污染物親和性，因此纖維在消除污染物過程中具有獨特的優勢。

本研究以皮芯結構聚酯纖維和粘膠纖維混紡無紡布為載體，通過浸軋和熱烘工藝將粉末型g-C3N4催化劑進行負載，得到具有可見光響應的功能性光催化纖維，探究了浸軋次數，烘燥溫度，溶液pH 對光催化性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器設備

實驗材料：尿素，天津市永大化學試劑有限公司；磺胺喹惡啉(SQX)，百靈威科技有限公司；氫氧化鈉，杭州高晶精細化工有限公司。

儀器設備：SUN-Q-Light 光反應器(Xe-1-BC)，美國Q-Lab 公司；pH 計，美國Mettler 公司；超高效液相色譜儀(UPLC)，美國Waters 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 石墨相氮化碳（g-C3N4）的制備

將10g 尿素放入坩堝蓋好蓋子，放入管式爐以2.5℃/min 升溫速率加熱至550℃并保持4h 得到黃色產物，即為g-C3N4粉末。

1.2.2 光催化纖維材料的制備

將5g 制備好的g-C3N4粉末放入1L 去離子水中超聲24h，待催化劑超聲均勻后將聚酯纖維和粘膠纖維混紡的無紡布（C-PET）浸入催化劑懸溶液進行浸軋處理。軋機的兩個輥之間的壓力為0.2MPa，輥的轉速為20rpm，根據制備工藝浸軋過程分為一浸一軋，兩浸兩軋，三浸三軋。然后將浸軋好的無紡布放于100℃烘箱預烘，最后取出進行烘燥處理，烘燥溫度根據工藝設為100℃，120℃，140℃，160℃。最終得到負載有g-C3N4光催化纖維材料（CN/C-PET）。

1.2.3 光催化實驗

本研究所制備的光催化纖維材料的光催化活性。通過采用Q-SUN Xe-1 太陽光模擬器用于模擬夏日正午太陽光，研究光催化纖維在模擬太陽光下降解磺胺喹惡啉來評價其光催化性能。取30ml 濃度為2.5*10-5mol/l SQX 溶液于40ml 樣品瓶中，放入300mg 制備好的光催化纖維（CN/PET）,將樣品瓶置于太陽光模擬器中，打開光源并進行光催化實驗。其中燈管與樣品瓶的距離為20cm。

2 結果與討論

2.1 光催化性能測試

圖1 為CN/C-PET 光催化纖維在pH 為3，SQX 濃度為2.5*10-5mol/L 溶液中的光催化性能實驗，圖中可以看到，在只有模擬太陽光照下，SQX 幾乎不降解。而在黑暗條件下，CN/C-PET 光催化纖維也幾乎不降解SQX，SQX僅下降約10%，這可能是纖維材料對SQX 的吸附作用。CN/C-PET 在模擬太陽光下，SQX 降解達95%以上。說明CN/C-PET 光催化纖維在太陽光下具有優異的光催化性能。

圖1 CN/C-PET 在模擬太陽光下降解磺胺喹惡啉

2.2 溶液pH 對光催化性能影響

圖2 為不同底物溶液pH 值下，CN/C-PET 的光催化性能實驗。從圖中可以看到，CN/C-PET 的光催化效率隨pH 的減小而增大。在pH3 下降解SQX 速率最快，而當pH 升至7 和9 時，SQX 降解速率減慢，光照5h 后SQX去除率分別約為95%和92%。根據相關的研究報道[5]，這是因為在酸性條件下更容易形成羥基自由基?？傮w而言，CN/C-PET 在寬譜的pH 范圍中具有優異的光催化活性。

圖2 CN/C-PET 在不同pH 溶液中的光催化性能測試

2.3 浸軋次數對光催化性能影響

在光催化纖維制備工藝中，探討了不同浸軋次數對光催化性能的影響。如圖3 實驗結果顯示兩浸兩軋和三浸三軋的光催化效率大于一浸一軋，這可能由于一浸一軋的工藝還沒有使g-C3N4光催化劑完全覆滿纖維表面。三浸三軋的光催化效率與兩浸兩軋相差不大，因此選擇兩浸兩軋的工藝更經濟。

圖3 光催化纖維在不同浸軋次數下的光催化性能測試

2.4 烘燥溫度對光催化性能影響

圖4 顯示了光催化纖維在不同烘燥溫度下降解SQX 性能實驗。實驗結果顯示，在100℃，120℃和140°C 烘燥條件下所制備的光催化纖維對SQX 的降解活性相接近，光照3 小時的SQX 的去除率均達到接近100%。而當烘燥溫度升至160℃，光催化活性明顯下降，這可能是由于過高的溫度使聚酯纖維熔融后將部分表面的催化劑包裹進去。

圖4 光催化纖維在不同烘燥溫度下的光催化性能測試

2.5 光催化纖維的循環性能

除了光催化活性，催化材料的循環穩定性也是需要考慮的一個重要因素。圖5 為3 種烘燥溫度下光催化纖維的循環測試。100℃和120℃烘燥下的光催化纖維在第二次循環時SQX 去除率就明顯下降，這是因為在該溫度下，g-C3N4光催化劑在纖維上未粘合牢固，在第一次光催化水處理中不少催化劑從纖維上脫落。而140℃烘燥下的光催化纖維不僅具有優異的光催化性能，且具有良好的循環穩定性，在五次循環后SQX 的去除率達97%。

圖5 不同烘燥溫度下的光催化纖維循環性能

2.6 光催化纖維樣品分析

對光催化樣品進行紫外可見漫反射光譜分析，如圖6 為CN/C-PET 紫外可見漫反射光譜圖。查文獻可知，聚酯纖維和粘膠纖維的吸收帶主要在紫外區域，而CN/C-PET 在紫外可見漫反射譜圖顯示了一個較寬的吸收帶，這顯然是g-C3N4與纖維材料聯結導致。故而該實驗結果可以表明浸軋及烘燥處理后g-C3N4在無紡布上能夠實現較好的負載，且具有較好的可見光響應。通過圖譜分析與性能測試基本一致說明可見光相應。

3 結論

將g-C3N4光催化劑通過簡單的浸軋和烘燥工藝，成功制備了具有可見光響應的光催化纖維。研究表明兩浸兩軋，烘燥溫度140℃的制備工藝制得的CN/C-PET 光催化纖維具有優異的光催化性能。在模擬太陽光照下即可高效降解磺胺喹惡啉，且5 次循環后仍具有優異的光催化性能。