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江南大学宋启军教授等:染料源碳点的制备及其在光催化降解废水中的应用

染料源碳点的制备及其在光催化降解废水中的应用


引用本文:吴涛,卓欢,赵孟宇,等. 染料源碳点的制备及其在光催化降解废水中的应用[J].化学试剂,2024, 46(4):21-27 .

DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0745



背景介绍

罗丹明B作为工业上常用的有机染料,具有稳定性高、上色强、着色牢等特点,但其存在毒性和致癌性,且含其废水的可生化性差、降解难,故建立高效、清洁的染料废水处理技术已成为广泛研究的热点。光催化法因不使用具有潜在危险的氧化剂,且能把将污染物完全降解,被广泛应用于污水处理。碳点是一种具有水溶性好、化学稳定性强、生物相容性好、抗光漂白的新型碳基材料,已作为光催化材料用于水处理领域。


文章亮点

1.基于以废治废的理念,提出了一种以染料废水为原料制备光催化剂的方法,并成功用于实际染料废水的降解;

2. 制备方法简便,催化剂性能优异,且易回收,可商业推广使用。

内容介绍

1  实验部分

1.1  主要仪器与试剂

1.2  碳点的制备

1.3  光催化剂的降解性能实验

2  结果与讨论

2.1 制备条件对碳点光催化性能的影响

如图1a所示,组分1的最大吸收峰为436 nm,而组分2的最大吸收峰在500 nm处。这说明两组分的特征吸收带不同,且两者都具有分子态发光。分别考察两个组分对50 mg/L罗丹明B的降解性能。如图1b所示,罗丹明B的最大吸收峰为554 nm,先流出的组分1对罗丹明B具有良好的降解效果,25 min内降解率达到95%,其溶液颜色由原来的红色变为淡黄色。而后流出的组分2几乎不能降解罗丹明B,溶液颜色始终是红色,故选用组分1作为光催化剂进行后续研究。

系统研究了硫酸添加量、反应温度以及反应时间对组分1碳点降解性能的影响。如图2a~2c所示,随着加入的酸浓度的增大,碳点光催化降解罗丹明B的速率呈现出先增加后减慢的趋势,其原因可能在于,硫酸浓度低时,碳化能力较弱,碳点结构未完全形成。

2.2 碳点的形貌和组成分析

如图3a3b所示,碳点分布均匀,呈现出大小均一的球形,平均粒径为3.4 nm。大多数纳米颗粒不具有晶格条纹,可能是因为碳点结构中存在较多的聚合物结构,未完全石墨化[21]

2.3 降解条件对光催化剂降解性能的影响

研究了不同测试条件对光催化剂降解性能的影响。如图4a所示,当无催化剂、仅光存在的情况下,罗丹明B不能被降解。加入碳点后先将待降解的溶液在暗处放置10 min,再在光照条件下进行降解。

2.4  光催化剂对染料的降解

2.4.1 模拟废水的降解

分别选用浓度均为50 mg/L4种染料来模拟染料废水,降解效果如图5所示。

2.4.2实际废水的降解

为了探究碳点作为光催化剂的实际应用性能,选取实际印染漆废水为目标污染物进行降解试验。首先,参照国标法(GB11914-8)测定了水样的COD值,大约为5050 mg/L。分别研究实际印染废水在氙灯和日光下的降解效果,结果如图6a所示。

3  结论

本文以含罗丹明B的印染废水为原料,通过水热法制备了荧光碳点。该碳点在光刺激下能产生多种活性氧物种,且在pH 1、碳点浓度为0.17 g/L时,单一罗丹明B水样降解率达97%,实际染料废水的降解率可达92%利用阳离子交换树脂可实现碳点的回收,操作简便。本工作为印染废水的治理提供了一种切实可行的方法。