【摘要】：近年來,應(yīng)用于日常生活中的抗生素因其難以自然降解或被生物降解而在自然環(huán)境中大量積累,造成抗生素與致病菌的長時(shí)間接觸,并且導(dǎo)致具有抗藥性的超級(jí)菌的出現(xiàn),嚴(yán)重人類生命健康。因此,尋找一種有效去除環(huán)境中抗生素污染物的處理方法引起了人們的廣泛關(guān)注。目前,物理吸附法及微生物降解法是用于去除環(huán)境中的抗生素污染物主要方法。與此同時(shí),吸附-光催化技術(shù)因其具有高效、操作簡便、低能耗的特點(diǎn)而備受親耐。研究發(fā)現(xiàn),多孔二氧化鈦納米材料不僅具有傳統(tǒng)二氧化鈦材料的無毒性、化學(xué)/熱穩(wěn)定性以及耐光腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),而且其多孔結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)吸附能力,同時(shí)促進(jìn)反應(yīng)物與底物分子的擴(kuò)散并可以作為光催化作用的活性位點(diǎn)以提高催化活性。然而,如何開發(fā)高效的多孔氧化鈦納米材料并對(duì)其進(jìn)行合成條件和組成進(jìn)行優(yōu)化面臨著巨大挑戰(zhàn)。基于以上背景,本論文以乙醇酸氧鈦為前驅(qū)體,通過改變后處理手段和合成方法來對(duì)多孔二氧化鈦的結(jié)構(gòu)及其組成進(jìn)行調(diào)控,研究其對(duì)抗生素污染的吸附-光催化性能,并探究抗生素污染物降解殘余物對(duì)環(huán)境的危害性。其主要研究內(nèi)容如下:1.以一維棒狀結(jié)構(gòu)的乙醇酸氧鈦為前驅(qū)體,通過三種不同的后處理方法(水熱法、煅燒法和水熱煅燒法,材料分別標(biāo)記為TiO_2-H、TiO_2-C和TiO_2-H/C),得到的三種不同結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米聚合體。通過粉末X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和氮?dú)馕綔y試對(duì)所制備的TiO_2納米聚集體的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。研究了對(duì)乙醇酸氧鈦前驅(qū)體采取不同后處理方法所制備的TiO_2納米聚集體對(duì)環(huán)丙沙星抗生素溶液的吸附-光催化去除性能。其結(jié)果表明,在三種不同后處理方法中,水熱處理得到的TiO_2-H材料對(duì)環(huán)丙沙星溶液表現(xiàn)出更強(qiáng)的吸附去除和光催化降解性能。其原因在于,相比于煅燒處理及水熱-煅燒結(jié)合處理方式,水熱處理所制備的TiO_2-H材料提供了更大的表面積并使其具有相對(duì)較弱的親水性,因而促進(jìn)了對(duì)環(huán)丙沙星的有效吸附。另一方面,水熱處理所得到的TiO_2-H材料顯示出高效的電子-空穴分離和快速的載流子轉(zhuǎn)移能力,因而有利于由空穴和·OH自由基引發(fā)的環(huán)丙沙星的光催化降解并且具有較好的循環(huán)催化效率。此外,微生物抗菌活性測定結(jié)果表明,通過水熱處理得到的TiO_2-H材料作為光催化劑降解環(huán)丙沙星溶液所得到的降解產(chǎn)物對(duì)環(huán)境的危害較小。2.選擇第一部分中通過水熱處理方式得到的多孔TiO_2聚集體為光催化材料,研究其通過光催化技術(shù)對(duì)抗生素污染物的廣譜去除性。選取喹諾酮類(環(huán)丙沙星、諾氟沙星、培氟沙星)、四環(huán)素類(四環(huán)素)、頭孢類(頭孢噻肟)等不同類別的抗生素污染物,進(jìn)行光催化降解。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)該多孔二氧化鈦納米聚集體對(duì)上述抗生素的單一或混合體系均有較好的礦化去除性能。其中,對(duì)含有環(huán)丙沙星、諾氟沙星、培氟沙星及四環(huán)素的單一或混合體系的光催化礦化性能最好。并且微生物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明降解殘液的抑菌率明顯下降,表明通過光催化降解所得到的降解終產(chǎn)物不會(huì)再導(dǎo)致環(huán)境中的致病菌產(chǎn)生耐藥性。3.以水熱處理方式得到的TiO_2多孔聚集體為原料,通過簡單還原法制備了銅納米顆粒(Cu NPs)修飾的多孔二氧化鈦納米聚集體復(fù)合材料(Cu@TiO_2)。通過粉末X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和X射線光電子能譜分析對(duì)復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,研究發(fā)現(xiàn),通過調(diào)整銅源的添加量可以對(duì)復(fù)合材料中銅納米粒子的尺寸進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)Cu納米粒子的粒徑小于200 nm時(shí),Cu@TiO_2復(fù)合材料會(huì)形成像棗糕式的鑲嵌結(jié)構(gòu)。吸附和光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著銅含量的增加,復(fù)合材料對(duì)環(huán)丙沙星的吸附去除性能逐漸提升,其中10 wt%Cu含量的復(fù)合材料由于具有最強(qiáng)的表面電荷而表現(xiàn)出最高的吸附能力。對(duì)于具有較低Cu含量的Cu@TiO_2復(fù)合材料,雖然吸附性能不佳,但是可通過光催化手段有效去除環(huán)丙沙星。其中0.1wt%Cu含量的0.1-Cu@TiO_2復(fù)合材料具有最佳的光催化效率,這主要?dú)w功于其最佳的光生電子-空穴對(duì)的分離和轉(zhuǎn)移效率。此外該材料具有較好的循環(huán)催化效果。
【圖文】：

武漢工程大學(xué)碩士學(xué)位論文的性質(zhì)。光催化作用正是基于半導(dǎo)體材料的這用性質(zhì)，，通過高能光量子的輻射，使得半導(dǎo)體價(jià)帶電子受到激發(fā)、獲得能量發(fā)生躍遷至導(dǎo)帶，此時(shí)電子處于激發(fā)態(tài)，而價(jià)帶上留下相應(yīng)的空穴即為光生空穴，這一過程被稱為電子-空穴分離。此時(shí)，處于激發(fā)態(tài)的電子及產(chǎn)生的空穴作為光催化過程的基本活性物種發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也可生成具有更高活性的超氧自由基( O2-)、羥基自由基( OH)或雙氧水(H2O2)再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)難天然降解的污染物的去除，如下圖所示。

金屬@半導(dǎo)體復(fù)合材料光響應(yīng)機(jī)制，(a)半導(dǎo)體材向；(b)貴金屬 LSPR 效應(yīng)受光激發(fā)后電子流向.2 Noble metals@Semiconductor composites Ph, (a) Electron flow of semiconductor material after electron flow of noble metal after excitation by light來研究發(fā)現(xiàn)，Au、Ag、Pt 等金屬粒子表面具有光共振效應(yīng)(LSPR)[14, 33]，而可以利用這種 LSPR 效應(yīng)，使得某些寬帶系、難激發(fā)的半導(dǎo)體材料，在構(gòu)筑應(yīng)性質(zhì)，這進(jìn)一步強(qiáng)化了其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用，明了金屬半導(dǎo)體材料在光催化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用潛力 1.2 所示。導(dǎo)體@半導(dǎo)體復(fù)合材料 半導(dǎo)體復(fù)合是指通過帶隙導(dǎo)體與寬禁帶半導(dǎo)體復(fù)合而得到一種具有更寬光
【學(xué)位授予單位】：武漢工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X703;O643.36;O644.1

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本文編號(hào)：2598206