多孔Bi2Ti2O7/TiO2异质结催化降解城市污水中复合抗生素的机理研究

The residual antibiotics in municipal sewage have become new pollution problem in its reuse. Photocatalytic oxidation technology is considered as an important method for dealing with the undegradable pollutants and quality and safety of reuse water. In view of the traditional catalytic oxidation of low efficiency, this project dedicates to investigating photocatalytic oxidation of composite antibiotic by porous Bi2Ti2O7/TiO2 heterojunction. Through the investigation of kind and content of antibiotics background pollutants in urban sewage, the structure and properties of compound antibiotics will be analyzed. Then, more attentions will be focused on the adsorption and degradation mechanism of different structure catalyst and simple antibiotics and compound antibiotics during photodegradation. The key factors of increasing removal rate and the mineralization rate of antibiotic compound pollutants will be investigated. The primary objective of this study is to develop an effective catalyst for degradation compound antibiotics and photocatalytic method, to enrich and develop theory and technology of photocatalytic oxidation for antibiotics in municipal wastewater and to reduce natural accumulation and biological toxicity risk of antibiotic in water environment, and improve the safety and quality of reuse water.

城市污水中残留的抗生素成为污水回用中新的污染问题。光催化氧化技术是解决难降解污染物保证回用水质量和安全的重要途径。针对传统催化剂氧化效率低等问题，本项目提出利用多孔Bi2Ti2O7/TiO2异质结催化氧化复合抗生素的设想。通过城市污水中抗生素、背景污染物的种类和含量的调查, 分析复合抗生素结构和性质，探讨不同结构催化剂与简单抗生素和复合抗生素的吸附与降解机理。研究在光催化过程中抗生素、背景污染物和金属离子与催化剂的相互作用关系和影响机制；探明提高抗生素复合污染物去除率和矿化率的关键因素。开发高效去除城市污水中复合抗生素及药物的催化剂和光催化工艺，丰富与发展城市污水中抗生素催化氧化的理论与技术，降低抗生素在水环境中的自然积累和生物毒性风险，提高回用水的安全和质量。

分析了城市污水处理厂各处理单元中的金属和抗生素的种类和含量，发现工艺中 Fe、Mn 含量较高，经处理后达到环境排放标准，生化污泥对金属离子的去除起了重要作用；原水中检出的抗生素主要为磺胺类、氧氟沙星和氯霉素，对抗生素去除起主要作用的是生化处理单元。选取了氧氟沙星、诺氟沙星、四环素、金霉素、磺胺甲恶唑和磺胺二甲基嘧啶六种水体常见抗生素及铜和锌两种金属，考察了六种抗生素与金属复合前后的毒性变化；研究了铋基异质结光催化降解几种抗生素与铜、锌离子复合物的光催化降机制；考察四环素和氧氟沙星混合抗生素光催化降解机制，结果可知：六种抗生素与金属铜、锌都能产生复合作用形成复合物；溶液的pH影响抗生素和金属的存在形态，在碱性溶液中（pH大于8），六种抗生素与金属更易复合；水体中阴离子有利于抗生素与金属离子的复合；腐殖酸影响抗生素与金属复合物的形成；复合物的毒性与摩尔比密切相关。铋基异质结材料可以降解金属与抗生素的复合物，相同条件下，复合物的降解率和矿化率略低于纯抗生素；复合物的降解过程中的中间体对藻类的抑制率没有明显的变化。.利用溶剂热法构建钛酸铋与氧化钛异质，探讨了合成条件对材料组成、结构和性能的影响，结果发现相同铋钛投料比，通过控制乙醇和丙三醇的比例和煅烧温度，可以获得四种不同形貌钛酸铋与氧化钛异质结，这些异质结材料具有较好地可见光吸收能力和催化活性，能够有效降解四环素、氧氟沙星等抗生素。在铋基材料研究中发现卤氧铋的可见光活性高于钛酸铋，高铋含量的材料催化活性较高；且因卤氧铋具有2D或3D结构，形成的异质结比表面积较大，合成条件对卤氧铋的形貌和性能有较大性能影响；不同晶面的BiOBr 与Bi2Ti2O7形成的异质结材料在性能有较大差异。研究发现提高铋盐的矿化能力和矿化速率，有利于形成高铋含量的铋基材料。提出了一种设计三维含氧空穴富铋材料的新方法，成功合成出有适量氧空缺的新型花球状BiOBr/Bi4O5Br2异质结，为高性能材料的制备提供一个新的视角。