g-C3N4/TiO2复合材料制备及其处理罗丹明B研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2022-0565

摘要/Abstract

摘要：

为高效去除有机染料，分别以g-C₃N₄和TiO₂为有机半导体和无机半导体原料，通过水热法合成一系列不同质量配比的g-C₃N₄/TiO₂复合材料，利用正交实验L₁₆（4⁵）探究g-C₃N₄/TiO₂复合材料处理罗丹明B模拟印染废水的最适宜工艺条件。结果表明，最适宜工艺条件为：光照时间为180 min、m（g-C₃N₄）:m（TiO₂）为20:30、投加量为2.0 g/L、罗丹明B模拟印染废水质量浓度为20 mg/L、pH为6.50，此时罗丹明B去除率可达98.86%。而单一使用g-C₃N₄或TiO₂对比处理罗丹明B模拟印染废水的去除率分别为52.27%和89.71%，说明TiO₂掺杂g-C₃N₄后可以更好地发挥协同去除性能。通过捕获活性物种实验可知，超氧自由基（·O₂^-）和光生空穴（h⁺）起关键性作用。g-C₃N₄/TiO₂复合材料重复使用4次后，去除率仍可达90.79%。g-C₃N₄/TiO₂复合材料能够降低能耗且无二次污染，可为今后处理染料废水提供借鉴。

关键词: g-C₃N₄, TiO₂, 罗丹明B, 印染废水

Abstract:

In order to improve the organic dye removal performance，a series of g-C₃N₄/TiO₂ composites with different mass ratios were synthesized by hydrothermal method with using g-C₃N₄ as organic semiconductor and TiO₂ as inorganic semiconductor.The orthogonal test L₁₆（4⁵） was used to explore the optimal process conditions for g-C₃N₄/TiO₂ composites to treat rhodamine B simulated printing and dyeing wastewater.The results showed that the optimum conditions were as the following：the light time was 180 min，the mass ratio of g-C₃N₄ to TiO₂ was 20:30，the dosage of g-C₃N₄/TiO₂ was 2.0 g/L，the concentration of rhodamine B was 20 mg/L，the pH value was 6.50，the removal rate was up to 98.86%.However，the removal rate of g-C₃N₄ and TiO₂ for rhodamine B were 52.27% and 89.71%，respectively，which was indicated that g-C₃N₄ doped with TiO₂ could enhance the synergistic removal efficiency of Rhodamine B.Radical scavenger experiments showed that superoxide radical（·O₂^-） and photogenerated holes（h⁺） played a crucial role.The removal rate of rhodamine B could reach 90.79% after four cycles of g-C₃N₄/TiO₂ composites.The result indicated that g-C₃N₄/TiO₂ composites could reduce energy consumption and cause no secondary pollution，which would provide reference for wastewater treatment in the future.

Key words: g-C₃N₄, TiO₂, rhodamine B, printing and dyeing wastewater

中图分类号:

TQ134.11

陈彰旭, 朱丹琛, 傅明连. g-C₃N₄/TiO₂复合材料制备及其处理罗丹明B研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(7): 130-136.

CHEN Zhangxu, ZHU Danchen, FU Minglian. Study on preparation of g-C₃N₄/TiO₂composites and application for rhodamine B removal[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2023, 55(7): 130-136.

图/表 11

表1

表2

图1

图2

图3

图4

表3

表4

图5

图6

图7

参考文献 28

1	SAMANTA M， MUKHERJEE M， GHORAI U K，et al.Room temperature processed copper phthalocyanine nanorods：A potential sonophotocatalyst for textile dye removal［J］.Materials Research Bulletin，2020，123：110725.
2	YAO Yuan， SUN Mingxuan， YUAN Xiaojiao，et al.One-step hydrothermal synthesis of N/Ti³⁺ co-doping multiphasic TiO₂/BiOBr heterojunctions towards enhanced sonocatalytic performance［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2018，49：69-78.
3	WANG Zhenjun， HUANG Jiehao.Research on removing reservoir core water sensitivity using the method of ultrasound-chemical agent for enhanced oil recovery［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2018，42：754-758.
4	MODWI A， KHEZAMI L， GHONIEM M G，et al.Superior removal of dyes by mesoporous MgO/g-C₃N₄ fabricated through ultrasound method：Adsorption mechanism and process modeling［J］.Environmental Research，2022，205：112543.
5	韩布兴.耐高温赤铁矿（α-Fe₂O₃）型氧化铁纳米管阵列的可控制备［J］.物理化学学报，2017，33（5）：865-866.
	HAN Buxing.Controllable preparation of iron oxide nanotube arrays with high temperature-resistant hematite（α-Fe₂O₃）［J］.Acta Physico-Chimica Sinica，2017，33（5）：865-866.
6	杨森林.静电技术去除氨法脱硫中气溶胶的研究［D］.广州：华南理工大学，2017.
	YANG Senlin.Study on removal of aerosol in ammonia desulfurization by electrostatic technology［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2017.
7	栾云博.纳米TiO₂光催化剂无机酸改性及有机污染物降解效能机制［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.
	LUAN Yunbo.Inorganic acid modification of nano-TiO₂ photocatalyst and degradation mechanism of organic pollutants［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2014.
8	SONG Gaixue， CHU Zhenyu， JIN Wanqin，et al.Enhanced performance of g-C₃N₄/TiO₂ photocatalysts for degradation of organic pollutants under visible light［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2015，23（8）：1326-1334.
9	PAN Jinbo， SHEN Sheng， ZHOU Wei，et al.Recent progress in photocatalytic hydrogen evolution［J］.Acta Physico-Chimica Sinica，2020，36（3）：1905068.
10	LI Jiabi， WU Xi， LIU Shengwei.Fluorinated TiO₂ hollow photocatalysts for photocatalytic applications［J］.Acta Physico Chimica Sinica，2021，37（6）：2009038.
11	DU Shiwen， LIAN Juhong， ZHANG Fuxiang.Visible light-responsive N-doped TiO₂ photocatalysis：Synthesis，characterizations，and applications［J］.Transactions of Tianjin University，2022，28（1）：33-52.
12	DLAMINI M C， MAUBANE-NKADIMENG M S， MOMA J A.The use of TiO₂/clay heterostructures in the photocatalytic remediation of water containing organic pollutants：A review［J］.Journal of Environmental Chemical Engineering，2021，9（6）：106546.
13	VERMA V， AL-DOSSARI M， SINGH J，et al.A review on green synthesis of TiO₂ NPs：Photocatalysis and antimicrobial applications［J］.Polymers，2022，14（7）：1444.
14	FUJISHIMA A， HONDA K.Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode［J］.Nature，1972，238（5358）：37-38.
15	LIAN Xiaoxue， LI Yan， ZOU Yunling，et al.High vis-light photocatalytic property of g-C₃N₄ on four pollutants（RhB，MB，TC-HCl and p-Nitrophenol）［J］.Current Applied Physics，2022，39：196-204.
16	LI Yue， CHENG Dandan， LUO Yan，et al.Coaxial Fe₂O₃/TiO₂ nanotubes for enhanced photo-Fenton degradation of electron-deficient organic contaminant［J］.Rare Metals，2021，40（12）：3543-3553.
17	ZHANG Yao， YUAN Jingshu， DING Yunji，et al.Research progress on g-C₃N₄-based photocatalysts for organic pollutants degradation in wastewater：From exciton and carrier perspectives［J］.Ceramics International，2021，47（22）：31005-31030.
18	ZHANG Bin， HE Xu， YU Chengze，et al.Degradation of tetracycline hydrochloride by ultrafine TiO₂ nanoparticles modified g-C₃N₄ heterojunction photocatalyst：Influencing factors，products and mechanism insight［J］.Chinese Chemical Letters，2022，33（3）：1337-1342.
19	张洁，田景芝，郝欣，等.CDs/ZnO/g-C₃N₄三元组分协同作用促进光催化降解染料［J］.精细化工，2019，36（7）：1439-1445.
	ZHANG Jie， TIAN Jingzhi， HAO Xin，et al.Synergistic effect of CDs/ZnO/g-C₃N₄ ternary component for photocatalytic degradation of dyes［J］.Fine Chemicals，2019，36（7）：1439-1445.
20	GHOSH U，PAL A.Fabrication of a novel Bi₂O₃ nanoparticle impregnated nitrogen vacant 2D g-C₃N₄ nanosheet Z scheme photocatalyst for improved degradation of methylene blue dye under LED light illumination［J］.Applied Surface Science，2020，507：144965.
21	MA Dong， XIN Yanjun， GAO Mengchun，et al.Fabrication and photocatalytic properties of cationic and anionic S-doped TiO₂ nanofibers by electrospinning［J］.Applied Catalysis B：Environmental，2014，147：49-57.
22	安伟佳，徐子怡，邵化旭，等.g-C₃N₄/TiO₂复合光催化剂制备及活性研究［J］.无机盐工业，2019，51（4）：81-85.
	AN Weijia， XU Ziyi， SHAO Huaxu，et al.Preparation and activity of g-C₃N₄/TiO₂ composite photocatalyst［J］.Inorganic Chemicals Industry，2019，51（4）：81-85.
23	ZIMBONE M， CANTARELLA M， SFUNCIA G，et al.Low-temperature atomic layer deposition of TiO₂ activated by laser annealing：Applications in photocatalysis［J］.Applied Surface Science，2022，596：153641.
24	JUSTINABRAHAM R， DURAIRAJ A， RAMANATHAN S，et al.Efficient degradation of emerging organic pollutant by cerium phosphate/g-C₃N₄/Vis/PMS system：Catalytic kinetics and toxicity evaluation［J］.Diamond and Related Materials，2022，126：109067.
25	孙海杰，刘欣改，陈志浩，等.BiOI/g-C₃N₄光催化降解甲基橙研究［J］.无机盐工业，2021，53（4）：90-94.
	SUN Haijie， LIU Xingai， CHEN Zhihao，et al.Study on photocatalytic degradation of methyl orange by BiOI/g-C₃N₄ ［J］.Inorganic Chemicals Industry，2021，53（4）：90-94.
26	史磊，王晗，廖剑祥，等.不同液体环境对PAN/TiO₂纤维膜的催化效率影响探究［J］.应用化工，2021，50（11）：3061-3064，3068.
	SHI Lei， WANG Han， LIAO Jianxiang，et al.The effect of different liquid environment on the catalytic efficiency of PAN/TiO₂ fiber membrane［J］.Applied Chemical Industry，2021，50（11）：3061-3064，3068.
27	王鹏，高其乾，段良升，等.类石墨相氮化碳的制备及可见光催化性质研究［J］.长春工业大学学报，2016，37（4）：313-316.
	WANG Peng， GAO Qiqian， DUAN Liangsheng，et al.Preparation of graphitic carbon nitride and its visible-light photoactivities［J］.Journal of Changchun University of Technology，2016，37（4）：313-316.
28	高敏，王蒙，肖霞，等.TiO₂/g-C₃N₄复合物的光催化性能测试及机理研究［J］.西北大学学报（自然科学版），2018，48（1）：71-77.
	GAO Min， WANG Meng， XIAO Xia，et al.TiO₂/g-C₃N₄ composites performed ophotocatalysis and the deduction of enhanced mechanism［J］.Journal of Northwest University（Natural Science Edition），2018，48（1）：71-77.

m（g-C₃N₄）: m（TiO₂）	m（g-C₃N₄）/ g	m（TiO₂）/ g	代号
0:50	0.00	0.50	CNTO05
10:40	0.10	0.40	CNTO14
20:30	0.20	0.30	CNTO23
30:20	0.30	0.20	CNTO32
40:10	0.40	0.10	CNTO41
50:0	0.50	0.00	CNTO50

水平	因素
水平	A （光照时间）/min	B ［m（g-C₃N₄）: m（TiO₂）］	C （RhB初始质量浓度）/（mg·L^-1）	D （复合材料投加量）/（g·L^-1）	E （pH）
1	45	10:40	10.0	1.0	5.50
2	90	20:30	20.0	2.0	6.00
3	180	30:20	50.0	3.0	6.50
4	270	40:10	100.0	4.0	7.00

实验编号	A （光照时间）/min	B ［m（g-C₃N₄）: m（TiO₂）］	C（RhB初始质量浓度）/（mg·L^-1）	D（复合材料投加量）/ （g·L^-1）	E （pH）	去除率/%
1	45	10:40	10.0	1.0	5.50	70.96
2	45	20:30	20.0	2.0	6.00	95.00
3	45	30:20	50.0	3.0	6.50	83.12
4	45	40:10	100.0	4.0	7.00	37.65
5	90	10:40	20.0	3.0	7.00	94.35
6	90	20:30	10.0	4.0	6.50	94.98
7	90	30:20	100.0	1.0	6.00	48.49
8	90	40:10	50.0	2.0	5.50	78.53
9	180	10:40	50.0	4.0	6.00	91.33
10	180	20:30	100.0	3.0	5.50	76.29
11	180	30:20	10.0	2.0	7.0	94.62
12	180	40:10	20.0	1.0	6.50	93.87
13	270	10:40	100.0	2.0	6.50	45.94
14	270	20:30	50.0	1.0	7.00	64.57
15	270	30:20	20.0	4.0	5.50	55.39
16	270	40:10	10.0	3.0	6.00	60.27
k₁	71.68	75.65	80.21	69.47	70.29
k₂	79.09	82.71	84.65	78.52	73.77
k₃	89.03	70.41	79.39	78.51	79.48
k₄	56.54	67.58	52.09	69.84	72.80
R	32.49	15.13	32.56	9.05	9.19
因素主次 C、A、B、E、D
最适宜方案 A₃B₂C₂D₂E₃

代号	m（g-C₃N₄）: m（TiO₂）	RhB初始质量浓度/（mg·L^-1）	复合材料投加量/（g·L^-1）	pH	暗反应		光降解
代号	m（g-C₃N₄）: m（TiO₂）	RhB初始质量浓度/（mg·L^-1）	复合材料投加量/（g·L^-1）	pH	吸附时间/min	吸附率/%	光照时间/min	去除率/%
CNTO23	20:30	20.0	2.0	6.50	1 440	9.41	180	98.86
CNTO05	0:50	20.0	2.0	6.50	1 440	8.52	180	89.71
CNTO50	50:0	20.0	2.0	6.50	1 440	9.76	180	52.27

[1]	唐贝. ZnO/g-C₃N₄异质结光催化材料的制备及对吡啶的降解[J]. 无机盐工业, 2024, 56(4): 133-142.
[2]	战洪仁, 田丰, 张先珍, 马玉桂, 寇丽萍, 刘鹏. 利用废岩棉制备高性能泡沫玻璃陶瓷的实验研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(1): 96-101.
[3]	孙海杰, 程圆, 田源, 柳宏岩, 陈志浩. BiOI/g-C₃N₄催化剂的制备及其光催化降解罗丹明B性能[J]. 无机盐工业, 2023, 55(8): 36-44.
[4]	冯彬, 刘晓凤, 姚鹏飞, 梁美奇, 隆金桥, 崔连胜. 白光SrMoO₄：Eu³⁺，K⁺@g-C₃N₄荧光粉的合成及其性能研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(8): 95-101.
[5]	刘蕊, 高玮, 张文静, 安鸿雪, 李再兴. 菌渣生物炭负载四氧化三铁催化降解罗丹明B[J]. 无机盐工业, 2023, 55(4): 111-119.
[6]	许小兵,李旭,杨旭,徐小勇. 烧成温度对MgO-TiO₂复合无机陶瓷微滤膜支撑体性能的影响[J]. 无机盐工业, 2022, 54(8): 85-89.
[7]	陈修栋,张义焕,张浩东,盛冬河,吴嘉伟,刘金杭,严平,占昌朝. β-FeOOH改性蒙脱土复合过氧化氢对罗丹明B的降解[J]. 无机盐工业, 2022, 54(5): 116-120.
[8]	张发荣,凡甜甜,郭燕云,李璐,刘炳光,李建生. 自清洁膜材料研究进展[J]. 无机盐工业, 2022, 54(4): 74-80.
[9]	褚佳欢,汤嘉成,朱媛,张进. g-C₃N₄/Bi₂MoO₆复合光催化剂的制备及性能研究[J]. 无机盐工业, 2022, 54(11): 131-136.
[10]	管志远,张晓伟,王觅堂,张栋梁,朱昌乐. 稀土元素铈钕共掺氧化锌对降解罗丹明B光催化性能的影响[J]. 无机盐工业, 2022, 54(10): 155-162.
[11]	王力霞,任冬梅,王琼,常春. 磁性金属有机框架材料制备及吸附性能研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(9): 46-50.
[12]	张兰,谭皓蕾,马会中,罗翱翔,王记平. 镍、碳共掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备与光催化性能研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(4): 107-111.
[13]	黄夏梦. 光催化材料Bi₄O₇/BiOBr的制备及其光催化性能研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(4): 112-116.
[14]	朱丹琛,李名洁,陈彰旭,林倩. 水热法合成二氧化锰及其对染料的脱色性能研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(11): 60-65.
[15]	张爱文,种延竹,高官俊. 静电纺丝制备银修饰二氧化钛纳米纤维应用于光降解亚甲基蓝[J]. 无机盐工业, 2021, 53(10): 125-128.

首页

全国无机盐信息中心

中国化工学会

无机酸碱盐专业委员会

g-C₃N₄/TiO₂复合材料制备及其处理罗丹明B研究

Study on preparation of g-C₃N₄/TiO₂composites and application for rhodamine B removal

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 11

参考文献 28

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0

首 页