微囊藻毒素的光催化降解技术和机理研究

At present, water eutrophication has become more and more serious;and various cyanobacteria have quickly produced cyanobacteria have quickly produced cyanobacteria toxins-Microcystins (MCs) that threaten human health. Thus, the development of efficient and reliable water treatment technologies to control MCs is of great importance to protect water environment security. Photocatalytic degradation MCs is a kind of high efficient, non-toxic approach, which is the research focus in recent years. People found Niobium has stability and SMSI which is requisite for the high efficient photocatalyst, and a variety of niobates had been extensively applied in the field of environment protection and photocatalysis. An innovative photocatalyst niobates will be synthesized and doped, their performance in photo-degradation of MCs will be systematically investigated in this project. The degradation products will be analyzed and evaluated, and the degradation kinetics and mechanism will be discussed. The results of this work are expected to reveal the photo-degradation mechanism of MCs in water by niobates. This project could form a basis for the development of a novel effective water treatment technology to address the contamination of MCs.

目前水体富营养化问题日益严重，富营养化水体中一些藻类产生的微囊藻毒素对人类健康产生了极大威胁。因此研究高效降解水体中藻毒素的处理方法和机理是水环境安全的重要保障。光催化降解微囊藻毒素是一种高效、无毒的技术方法，是近几年研究的热点。铌具有十分优良的催化剂所必备的稳定性和SMSI特征，含铌的类钙钛矿氧化物已广泛应用在环保催化领域。本项目将利用含铌类复合氧化物作为光催化剂，开展水体中微囊藻毒素的光催化降解机理研究。项目将通过试验分析，合成和改性含铌类复合氧化物，研究其光催化降解微囊藻毒素的降解效率和机理，并对微囊藻毒素降解的中间产物进行分析评价，探讨其光催化降解动力学特征及降解途径。预期成果可揭示含铌类复合氧化物光催化降解微囊藻毒素的降解机制，并为去除水体中微囊藻毒素提供高效环保的水处理技术，对缓解我国日益严重的水污染的问题和保障水环境安全具有重要的意义。

通过合成含铌类复合氧化物光催化剂，开展其光催化降解藻毒素的试验研究，研究其光催化降解微囊藻毒素的降解效率和机理。采用溶胶凝胶法制备了铌酸盐光催化剂K6Nb10.8O30，利用X射线衍射、扫描电镜、紫外可见漫反射光谱等对光催化剂进行了结构表征，结果表明该化合物结构是属于四方相钨青铜结构，空间群为P4/mbm（127），晶粒呈长方柱性，直径约为150 nm，长度约400～600 nm，禁带宽度为3.1eV。在紫外光（UVA）辐照条件下，考察了催化剂对微囊藻毒素（MC-LR）的光催化降解效果，利用高效液相色谱测定水体中微囊藻毒素浓度。结果表明，光催化剂K6Nb10.8O30在降解过程中呈现了良好的催化活性和稳定性，能够有效的降解藻毒素，降解过程受到pH值、藻毒素的初始浓度、催化剂投加量和光照的影响。在光辐射强度为556 µW/cm2、pH4.24、催化剂投加量为0.375 g/L的试验条件下，初始浓度3 mg/L的藻毒素在180 min之内降解率达到93%，反应符合一级反应动力学规律。采用沉淀-光还原法对K6Nb10.8O30负载Ag/AgCl合成复合光催化剂Ag/AgCl/K6Nb10.8O30。相关测试分析显示在K6Nb10.8O30表面生成了大量纳米级的Ag/AgCl颗粒，Ag/AgCl体系产生的表面等离子共振效应显著地提高了复合光催化剂Ag/AgCl/K6Nb10.8O30的光催化活性，其在可见光下对微囊藻毒素的有很好的降解效果，在60分钟内降解率能达到90%以上。h+和O2•-自由基是占主导地位的活性自由基，Ag/AgCl/K6Nb10.8O30复合光催化材料的异质结构可以有效地提高光生电子-空穴的分离，提高光生载流子的寿命，最终提高光催化活性。通过液质连用仪检测藻毒素降解反应的中间产物主要为荷质比为1011.5、1027.5、1029.5、795.4、835.5、815.4等物质。这些产物可以通过Adda侧链上苯环羟基化反应、Adda侧链中共轭双键氧化、七肽环环状结构破坏等途径生成。利用生物方法对藻毒素光催化降解产物的毒性评价显示，微囊藻毒素MC-LR经光催化降解后，结构已完全破坏，产物不含毒性。