改性生物炭基光催化材料对难降解有机污染物的去除性能研究

青叶斌，李杨薇，陈岩松，全绍域，周怡杉

（武汉城市学院，湖北 武汉 430081）

摘 要：为提升难降解有机污染物的高效去除能力，以稻壳、玉米秸秆和木屑为原料制备了改性生物炭基Fe掺杂TiO₂复合光催化材料，并系统考察了不同反应条件对光催化性能的影响。以催化剂投加量、pH值、温度和光照强度为因素设计了正交试验，发现催化剂投加量和光照强度为主要影响因素。

关键词：改性生物碳基材料；光催化；去除机制；难降解有机污染物

0  引言

近年来，难降解有机污染物广泛存在于工业废水中，其具有化学结构稳定、毒性强、环境残留周期长等特点，已成为全球水环境治理领域亟须解决的难题。传统生物处理、化学氧化等方法在处理此类污染物时普遍存在效率低、矿化不完全及二次污染等问题，难以实现对多种有机物的高效去除。基于半导体材料的光催化技术因其环境友好、反应条件温和、能够实现污染物彻底矿化等优势受到广泛关注。其中，TO₂因成本低、稳定性高，应用最为广泛，但其光响应范围窄、电子-空穴对易复合等缺陷限制了实际应用。为此，以农林废弃物（稻壳、玉米秸杆和木屑）为原料制备改性生物炭，通过负载TiO₂并掺杂Fe元素，构建复合光催化材料。系统考察正交试验优化下多因素对典型有机污染物去除效果的影响，并结合多种表征及机理实验揭示材料结构-性能-降解机制之间的关系，以期为高效光催化材料的设计与应用提供实验依据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生物质原料选用稻壳、玉米秸秆和木屑，使用前经去离子水清洗并在105℃下干燥24h。光催化剂前驱体包括钛酸四丁酯（TBOT，分析纯）、氢化锌（ZnCL₂，分析纯）、硝酸铁九水合物[Fe(NO₃)₃·9H₂O,分析纯]。表面改性试剂包括浓硝酸（HNO₃，65%~68%，优级纯）、氢氧化钾（KOH，分析纯）、3一氨丙基三乙氧基硅烷（APTES，化学纯）。目标污染物选择苯酚、4-氣苯酚、罗丹明B(RhB)、亚甲基蓝（MB)、双酚A(BPA)，均为分析纯。实验用水为超纯水（电阻率>18.2MQ·cm），其他试剂均为分析纯或优级纯。

1.2 改性生物碳基光催化材料的制备

将生物质原料在氮气下600℃炭化2h制得生物炭，经KOH或浓硝酸改性，洗涤烘干。将改性生物炭与钛酸四丁酯、硝酸铁共混，调pH至3~4，反应24h后，经抽滤、干燥及450℃焙烧2h，得到Fe掺杂Ti0,/生物炭复合材料。产物研磨筛分，备用。

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