漂浮型可见光催化功能膨胀石墨基复合炭原位抑藻除藻基础研究

In recent years, a large amount of nitrogen and phosphorus nutrition materials are discharged into the natural waterbodys, causing increasingly serious eutrophication and the frequent outbreak of harmful algae blooms, which threatens the water ecological safety and human health. How to effectively control algae blooms becomes a serious environment problem all over the world. Photocatalytic technology has the advantages of high efficiency, low cost, environment friendly etc., is expected to become one of the important means for water algae pollution control. This project is trying to develop a composite function material - NPT-EGC with good characteristics such as floatation, hydrophobic - hydrophilic, multistage aperture distribution and visible light catalytic, which is made by N and P doping modification TiO2 and sucrose as simple carbon source for simultaneously modified expanded graphite, for in situ removal of typical harmful algae -green alga microcystis aeruginosa and microcystins - MC-LR from water. When NPT-EGC was used for algae pollution in situ repairation, it could adsorp and photocatalytic inactivate the floating micron grade algal cell, at the same time, its released nanoscale algal toxin could be simultaneously adsorped and photocatalytic degraded. The adsorption and visible light catalytic oxidation coordination mechanism and its performance for the removal of algae pollution of NPT-EGC is to be discussed deeply through the laboratory and field studies, which would provide theoretical basis and practical basis for its application in large scale.

近年来，水体日益严重的富营养化导致的有害藻类水华频繁暴发，严重威胁着水环境生态安全和人类健康，如何有效防治藻类水华成为全球面临的重大环境问题。光催化技术具有效率高、成本低和环境友好等特点，有望成为水体藻类污染治理的重要手段之一。本项目拟以典型有害藻类-铜绿微囊藻及其微囊藻毒素-MC-LR为去除目标，以N、P共掺杂改性TiO2和以蔗糖为简单炭源同步改性膨胀石墨，构建集漂浮性、可见光催化活性、亲水-疏水双性和多级孔径分布结构于一体的TiO2可见光催化功能膨胀石墨基复合炭（NPT-EGC），用于上述藻类污染水体的原位修复，其在应用中可实现对漂浮的微米级藻细胞吸附、光催化灭活的同时，对释放的纳米级藻毒素同步吸附、光催化降解去除。课题通过实验室和现场研究，深入探讨NPT-EGC对藻类污染去除的吸附-可见光催化氧化协同机制和实际应用性能，为该技术在藻类污染水体原位修复中的推广应用提供理论依据和实践基。

蓝藻水华是我国水体环境面临的主要问题之一，水华水体中有毒藻类的繁殖及其细胞毒素的释放对生态环境和饮用水安全造成了严重威胁。光催化作为一项绿色技术在环境修复领域展现出广阔的应用前景，但如何提升催化效率和构建有效的原位修复技术体系成为其研究的关键。本研究以铜绿微囊藻为去除对象，结合藻类污染水体的特征，以膨胀石墨为基体，采用溶胶-炭化的方法制备膨胀石墨复合炭基漂浮型可见光催化剂，用于水中铜绿微囊藻细胞及其藻毒素污染的原位修复，研究深入探讨了其对铜绿微囊藻及其藻毒素的去除性能与作用机理。. 研究优化制备了基于膨胀石墨的系列可见光催化剂，主要有： N-P共掺杂TiO2/膨胀石墨复合炭NPT-EGC、聚二烯丙基二甲基氯化铵改性NPT-EGC制备的PDDA@NPT - EGC、C3N4改性NPT-EGC制备的C3N4@NPT- EGC、以及其它的膨胀石墨基复合炭负载型可见光催化材料Me(Ag/Bi/Ni)-N- TiO2/EGC和g-C3N4@Me-N-TiO2 /PEGC，对上述光催化剂的物化特征进行了表征分析。. 研究全面探讨了上述制备的催化剂在藻类污染水体的原位修复中的“吸附-可见光催化氧化-载体再生”动态作用过程及其机制，证实光催化除藻过程大致可分为三个阶段的循环过程，分别为藻细胞的快速吸附去除阶段、细胞体的光催化杀灭阶段和材料吸附再生阶段。处理时间为9h时，上述光催化材料即可实现对本研究浓度范围内的藻细胞和微囊藻毒素完全杀灭和去除。. 研究证实，一定浓度范围内，水中的腐殖酸和叶绿素可以吸收可见光激发电子产生光敏化作用，对催化剂灭活铜绿微囊藻和降解MC-LR的影响机制是竞争吸附作用和光敏化之间的平衡机制。. 证实在除藻的过程中，催化剂受光照激发产生的氧化活性基团可对细胞的结构产生破坏，同时抑制细胞的代谢活动，加速细胞死亡，因细胞死亡而释放的有机物或毒素，会进一步被光催化氧化降解，避免了二次污染的风险。. 上述制备的膨胀石墨复合炭基漂浮型可见光催化剂可实现对水体中铜绿微囊藻及其藻毒素的同步去除，其在藻类污染水体原位修复领域具有良好的应用前景。