朱鴻博 徐 靚

(湖南城市學院 材料與化學工程學院，湖南 益陽 413099)

在愈加嚴峻的環(huán)境治理態(tài)勢下，如何有效的降低有機污染廢水對自然流域的污染顯得極為重要。光催化技術，特別是可見光光催化技術，成為一種綠色、高效、節(jié)能的廢水處理手段[1-2]。其能有效的通過產(chǎn)生活性自由基，來分解水中的有機污染物，近年來，受到國內外的廣泛研究[3]。但是，大量關于g-C3N4的研究都主要集中于實驗室階段的測試，利用氙燈模擬日光[4-5]。這種測試方式，其氙燈的光照強度和溫度難以等同于實際應用環(huán)境中的日光效果，所得的實驗結果，不利于評價g-C3N4材料的實際應用價值和應用前景。

為此，本文中，采用尿素、二氰二胺、三聚氰胺作為原料，分別合成了3種不同類型的g-C3N4材料。在分別測試了其甲基橙降解性能，并分析了其最佳的應用固液比和對甲基橙的濃度處理范圍。最后再在實際的日光下，評價了不同時段下，g-C3N4對甲基橙的日光處理效果。

1 材料合成

1.1 試劑

本研究采用的原料均為分析純且購自天津科密歐公司。

1.2 g-C3N4的合成

準確稱取10 g尿素、二氰二胺、三聚氰胺，分別置于30 mL的坩堝中，以5℃/min的升溫速率升至530℃后，持續(xù)熱聚合處理4 h，得到的黃色產(chǎn)物研磨充分后，密封保存。根據(jù)原料的不同，分別命名為uCN(尿素)、dCN(二氰二胺)、mCN(三聚氰胺)。

1.3 甲基橙降解效果

以合成的g-C3N4作為催化劑，在日光下(13：00-14：00)曬一定時長后，取2 mL反應后的催化劑和甲基橙混合樣，過濾后測定其462 nm下的吸光度值，根據(jù)瑯勃比爾定律，求出甲基橙的濃度，計算出出甲基橙的降解率。

2 結構分析

2.1 XRD結果

分析了合成樣品的X射線衍射峰，如圖1所示?？梢钥闯?，三種材料都具有兩個13.1°和27.3°的g-C3N4特征峰，這表明三種原料都成功的制備出了g-C3N4，而峰強度的不同也表明不同原料合成的g-C3N4存在一定的晶體結構差異。

圖1 不同原料合成的g-C3N4的XRD結果

2.2 SEM表征

采用SEM進一步觀察合成的g-C3N4材料的結構特點，如圖2所示?？梢钥闯觯N材料都具有明顯的g-C3N4層狀堆疊的結構特征，且以尿素作為原料合成的g-C3N4的結構最為蓬松。愈加多孔的結果，能促進更多的表面接觸位點的暴露，從而增加與溶液中甲基橙分子的接觸概率，增加反應的可能性。

3 降解性能

3.1 不同原料的影響

首先分析了三種不同g-C3N4的甲基橙降解效果，如圖3所示。明顯看出，固液比為1%時，尿素合成的uCN能最快的完成對濃度為20mg/L的甲基橙的降解，60min內，降解率可達99%。同時，dCN和mCN也能有有效的去除甲基橙，這表明g-C3N4材料在環(huán)境中有機物廢水處理上的應用前景。

圖3 不同原料合成的g-C3N4的甲基橙去除效果

3.2 不同液料比的影響

進一步分析了光催化劑添加量對甲基橙降解效果的影響，如圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著固液比的增加，甲基橙降解率不斷提高，當固液比達到1%時，甲基橙的降解率達到峰值。此時，繼續(xù)增加催化劑的量，甲基橙的降解率將不再提高。因此，可認為最佳的固液比比例為1%。

圖4 不同固液比下的甲基橙降解率

3.3 甲基橙濃度的影響

繼續(xù)分析了g-C3N4光催化對甲基橙的濃度處理范圍，如圖5可以看出，在固液比為1%時，g-C3N4能在5-50mg/L濃度范圍內實現(xiàn)對甲基橙的有效去除。其中uCN具有最佳的光催化去除效果，在中等濃度下的含甲基橙廢水中，能實現(xiàn)最高的降解率。

圖5 不同甲基橙濃度對g-C3N4的降解效果的影響

3.4 不同時段的甲基橙降解效果

為實現(xiàn)綠色化工藝的開發(fā)，本文驗證了日光下g-C3N4的光催化效果。為此，于2020年6月15日在湖南城市學院進行了室外日光降解測試，于特定的時間段，按固液比為1%、反應時間為60min、甲基橙濃度為20mg/L測定了甲基橙降解效果。可以看出，室外溫度和日照強度對光催化效率起著關鍵作用。特別是當日照效果和環(huán)境溫度強烈的11：00-14：00時段，不同原料制備的g-C3N4都展現(xiàn)出了最佳的光催化性能。特別是，尿素合成的uCN能在該時段下，實現(xiàn)90%以上的光催化效果，具有良好的實際應用前景。

4 結論

本研究探究了自然光下，不同原料合成的g-C3N4的有機污染物去除性能。結果表明，g-C3N4是一種優(yōu)良的綠色光催化劑，能有效的在日光環(huán)境下，實現(xiàn)對水體中等濃度的甲基橙污染物的90%以上的去除率，是一種極具潛力的環(huán)境治理光催化材料。

圖6 不同時段下的甲基橙日光降解率及相應的溫度表