磁分离型凹凸棒土基复合材料的制备表征及其可见光催化性能研究(3)

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1 引言

由于有机化工产品在工业生产中的广泛应用，有机污染物的排放量与日剧增，正在从安全层次威胁着人类的生存和发展。对硝基苯胺是江苏淮安的重要化工原料，它的毒性比苯胺强，能引起血液中毒以及皮炎等症，属于我国水污染控制中的优先控制污染物[1]。目前，对硝基苯胺废水治理的方法主要有萃取法、氧化还原法、生物法等[2]，但这些方法在实际应用中由于效率低，或者成本过高，许多厂家对对硝基苯胺废水只进行了简单处理就排放到环境中[3]，根本不能彻底清除其影响。半导体光催化氧化技术是国际上最受关注、应用潜力最大的水处理技术，特别在有机污染物深度治理方面有着广阔的前景[4-5]。但经过近半个世纪的研究，光催化技术并没有在实际运用中发挥重要作用，主要科学问题在于作为光催化氧化处理技术核心——光催化剂，其吸光波长范围窄（只能利用紫外光）、量子效率低，吸附性能差，难以分离、回收再利用，以及运行成本高，一直是该技术发展的瓶颈。为此，本文将利用地方优势资源——凹凸棒土，以其为基体构筑一种高效、环保，且能有效利用太阳光处理有机污染物的新型结构、多功能复合的磁分离型凹凸棒土基光催化剂。论文网

凹凸棒土（缩写为ATT）是江苏淮安盱眙的特色资源，它是一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物，具有独特层链状结构，层板表面富含羟基而带负电荷（如图1所示）；具有比表面积大、悬浮性高、化学稳定性好、吸附能力强等特征，而且无毒、无害，是一种环境友好材料，在化工、环境保护、建筑业、农业以及食品等行业领域有着广泛应用[6-7]。

凹凸棒土结构示意图及其应用

图1 凹凸棒土结构示意图及其应用

由于只有被吸附到催化剂表面的有机物才能被光生空穴氧化、电子受体被光生电子还原，最终矿化为CO2、H2O等无机小分子，因此催化剂对污染物的吸附性能直接影响其光催化活性。由于凹凸棒土具有优异的吸附性能和载体性能，研究者们将TiO2有效负载于凹凸棒土表面[8-10,13-14]，在充分发挥凹凸棒土的吸附性能的同时，实现对二硫化碳[8]、苯酚[9]、酸性品红[10]等有机污染物的深度降解。但由于TiO2本身禁带宽度较大（3.2eV），只对波长λ≤387.5nm的紫外光响应，而且量子效率低、光生电子和空穴容易复合。因此，需要对TiO2进行复合改性，以提高其量子效率、拓展吸收光谱范围[11-12]。

铁氧混合化合物（以表示FexOy）为一定比例Fe3O4、Fe2O3的混合物，既具有较好的磁性（Fe3O4），又具有一定的光催化活性（Fe2O3 Eg=2.2eV）；而且相对于纯相Fe3O4 [16-17]，FexOy的合成条件更为简单、环境友好。如果以FexOy作为TiO2的磁核，那么在获得磁分离特性的同时，FexOy中的Fe2O3可以对TiO2的能带结构进行调节，提高光生电子和空穴间的分离率，有望获得高效磁分离型可见光催化剂。考虑到单纯FexOy的密度大、比表面积小，如果将FexOy、TiO2高效负载于凹凸棒土表面，一方面可降低TiO2对FexOy磁核的屏蔽作用，提高 TiO2的光利用效率；另一方面，嵌入凹凸棒土层链结构中的FexOy，由于凹凸棒土中的硅酸盐层板（SiO32-）可以参与形成Ti-O-Si键，可有效削弱磁核（Fe3O4）与TiO2之间相互作用[15]，实现磁性与光催化降解特性高效耦合。

初步研究表明，ATT-TiO2-FexOy具有较好的分散性、磁分离特性，对有机物具有较好的可见光降解能力[18]。但是其循环使用效果不太理想，可能由于ATT-TiO2与FexOy之间的结合力较差，在使用过程中容易脱落，导致光催化能力下降。另外，由于TiO2能隙较大，FexOy对其能带的调节能力不足，需调节FexOy组成，或引入第三项进一步改善其性能。