一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂及其制备方法和应用。本发明专利技术利用水热法和沉淀法合成三元Z型复合声催化剂，在这个Z型声催化剂中，KTaO3和Bi2O3中间引入FeVO4半导体形成氧化还原反应中心，三者复合最后形成了新型复合声催化剂KTaO3/FeVO4/Bi2O3。半导体FeVO4的加入形成了循环氧化还原复合中心，这促进了Bi2O3导带上的电子与KTaO3价带上的空穴的复合和抑制了KTaO3和Bi2O3各自的的电子空穴对的复合。合成的Z型KTaO3/FeVO4/Bi2O3声催化剂应用于降解头孢曲松钠的抗生素废水中，具有很高的声催化降解活性。

A ternary Z-type composite acoustic catalyst for degradation of antibiotic wastewater and its preparation method and Application

The invention relates to a ternary Z-type composite acoustic catalyst for degradation of antibiotic wastewater, a preparation method and application thereof. The invention synthesizes a ternary Z-type composite acoustic catalyst by hydrothermal method and precipitation method. In this Z-type acoustic catalyst, a FeVO4 semiconductor is introduced between KTaO3 and Bi2O3 to form a redox reaction center, and a new composite acoustic catalyst KTaO3/FeVO4/Bi2O3 is formed by the combination of the three. The addition of semiconductor FeVO4 forms a cyclic redox recombination center, which promotes the recombination of electrons in Bi2O3 conduction band with holes in KTaO3 valence band and inhibits the recombination of electron hole pairs in KTaO3 and Bi2O3 respectively. The synthesized Z-type KTaO 3/FeVO 4/Bi 2O 3 sonic catalyst has been applied to the degradation of ceftriaxone sodium antibiotic wastewater with high sonic catalytic activity.

【技术实现步骤摘要】
一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于声催化领域，尤其涉及新型声催化剂的合成及在降解抗生素废水中的应用。
技术介绍
自从抗生素被发现以来，在人类健康和畜牧业生产中一直发挥了重要作用。其中，头孢曲松钠作为第三代头孢菌素类抗生素，因其具有强大的杀菌作用而在临床上广泛应用。然而，头孢曲松钠抗生素的不合理使用导致其大量释放到环境中。由于对城市工业废水的不完全处理，这些药物很容易在水生和陆地生态系统中发现，严重影响了水生植物的光合作用和代谢，增强了细菌的抵抗力，对人类和生态健康构成严重威胁。因此，寻找一种有效的和环境友好的降解污染物的方法是迫切需要的。目前，为了解决这些问题，一些传统的抗生素废水处理方法，如生物降解，物理吸附和离子交换等已在实际应用中被广泛使用。然而，这些传统的处理抗生素废水的方法通常具有许多缺点，如处理周期长，降解效果低，成本高，污染物不能充分消除和难以达到排放标准。此外，抗生素是一些特殊的有机分子化合物，具有相对稳定的化学结构和组成。因此，使它们完全降解和矿化是困难的。当然，对于这些特殊的有机分子化合物，如果它们的结构和组成被部分破坏，污染物的毒性将会一定程度上消失。在高级氧化过程(AOPs)中，最近的声催化降解技术由于其高效率而引起了越来越多的关注。在许多方面，除了使用超声波作为能量源之外，声催化过程类似于光催化过程。通常，对于实际中的抗生素废水，它具有低透明，高浓度和深色的一些特性。对于这类废水，光催化是不能有效解决的。最近发展的声催化降解技术作为高级氧化技术(AOPs)，由于具有强的穿透能力能够有效的降解这一类废水。因此，声催化可以解决光催化不能解决的污染物废水。声催化降解可归因于超声波与固体催化剂粒子的协同效应。当超声波照射水溶液时，声空化的化学效应能够发生。在此过程中，超声波导致溶液中气泡快速生长和坍塌，从而在很短的时间内产生具有宽波长范围的光和具有局部高温(≥5000K)和高压(≥1000atm)的热点。高温和高压导致水分子的热解产生羟基自由基(·OH)和氢自由基(·H)。随后，氢自由基(·H)和氧气分子(O2)的反应可以产生超氧自由基(·O2-)，然后超氧自由基(·O2-)变成羟基自由基(·OH)。特别地，不同波长的光能够激发相应带隙的半导体并且分别在导带(CB)和价带(VB)上产生电子(e-)和空穴(h+)。空穴(h+)和羟基自由基(·OH)作为强氧化剂能够将有机污染物分解为较小的分子，最后被彻底矿化为CO2和H2O等无机离子。
技术实现思路
光生电子的转移和电子空穴对的有效分离决定了Z型催化剂的高活性。为了抑制电子和空穴的复合和拥有电子转移的驱动力，本专利技术设计合成一种新型Z型声催化剂(KTaO3/FeVO4/Bi2O3)可用于有效抑制光生电子和空穴的复合，FeVO4加入到这个Z型声催化剂中，利用FeVO4中的Fe3+和V5+双金属的可变价态能够产生电子转移的驱动力，通过在FeVO4半导体中形成无限循环的氧化反应中心，这促进了Bi2O3导带上的电子与KTaO3价带上的空穴的消耗，抑制了KTaO3和Bi2O3各自的电子空穴对的复合。最终将合成的复合Z型声催化剂KTaO3/FeVO4/Bi2O3应用于降解头孢曲松钠的抗生素废水中，结果表明Z型KTaO3/FeVO4/Bi2O3声催化剂具有很高的声催化降解活性。本专利技术采用的技术方案是：一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂，所述的降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂是KTaO3/FeVO4/Bi2O3。进一步的，上述的一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂，按质量比，KTaO3:FeVO4:Bi2O3＝1-2:0.05-0.1:1。一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂的制备方法，包括如下步骤：将适量的KTaO3，FeVO4和Bi2O3加入到蒸馏水中，调节混合溶液的PH＝5.5，超声分散10-20分钟，得悬浮液，悬浮液磁力搅拌6-7h后，用蒸馏水洗涤，过滤，所得粉末在80℃下干燥12-14h后，置于350℃下煅烧2-3h，研磨，得三元Z型复合声催化剂KTaO3/FeVO4/Bi2O3。进一步的，上述的一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂的制备方法，所述的KTaO3的制备方法包括如下步骤：将Ta2O5粉末加入到蒸馏水中，在磁力搅拌下滴加KOH水溶液；将所得混合液剧烈搅拌3-6h，得沉淀，将所得沉淀转移到高压釜中，将高压釜密封并在180℃下加热24-25h，自然冷却至室温，所得产物用蒸馏水和乙醇洗涤，离心得固体物，将所得固体物在80℃下干燥12-14h后，置于350℃下煅烧2-3h，研磨，得KTaO3粉末。进一步的，上述的一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂的制备方法，所述的FeVO4的制备方法包括如下步骤：将Fe(NO3)3·9H2O溶解在蒸馏水中形成透明溶液，然后在80℃，搅拌下，缓慢倒入NH4VO3溶液中直至出现黄色沉淀，用NH3·H2O调节pH至6.0，自然冷却，过滤，取沉淀物用蒸馏水洗涤后在80℃下干燥12-14h后，置于600℃下煅烧4-5h，研磨，得FeVO4粉末。进一步的，上述的一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂的制备方法，所述的Bi2O3的制备方法包括如下步骤：将Bi(NO3)3·5H2O溶解在蒸馏水中，用NH3·H2O调节pH至4.0后，置于高压釜中，将高压釜密封并在180℃下加热12-14h，冷却至室温，离心取沉淀物，用蒸馏水和乙醇洗涤后，在80℃下干燥12-14h后，置于600℃下煅烧2-3h，研磨，得Bi2O3粉末。上述的三元Z型复合声催化剂作为催化剂在声催化降解抗生素废水中的应用。方法如下：于含有抗生素的废水中，加入上述的三元Z型复合声催化剂KTaO3/FeVO4/Bi2O3，在温度25℃和压力101325Pa下，用300W和40kHz的超声照射120-170min。更进一步的，所述的抗生素为头孢曲松钠。本专利技术的新型三元Z型复合声催化剂KTaO3/FeVO4/Bi2O3在超声波照射下声催化降解头孢曲松钠溶液过程分析：超声波降解主要基于声空化效应产生的“声致发光”和“热点”。空化效应是发生在液体介质中的一种物理现象，它能够被描述为在液体中产生的空化泡的形成、生长和坍塌，从而导致局部的超临界状态。一方面，液体中的空化效应能够产生具有各种波长的光，包括短波长光和长波长光，称为“声致发光”。不同波长的光可以激发相应带隙的半导体产生电子和空穴。另一方面，液体中的空化效应能够产生局部的高温和高压，称为“热点”。这些热点可以使水分子热解产生羟基自由基(·OH)和氢自由基(·H)。特别地，当声催化剂存在时，在有机污染物的降解中，超声与固体催化剂颗粒的协同效应，所谓的声催化降解，能够明显地被发现。声致发光产生的光可以激发半导体，生成的光生电子和空穴能够参与声催化降解反应。然而，单一的声催化剂显示高的电子空穴对复合率和低的光利用率，这限制了其实际应用。目前，Z型声催化体系的出现在一定程度上可以有效地解决这些问题。在这个工作中，宽带隙的KTaO3(ΔEbg＝3.50eV，ECB＝-0.93eV和EVB＝+2.57eV)和窄带隙的Bi2O3(ΔEbg＝2.80eV，ECB本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂，其特征在于：所述的降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂是KTaO3/FeVO4/Bi2O3。

【技术特征摘要】
1.一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂，其特征在于：所述的降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂是KTaO3/FeVO4/Bi2O3。2.根据权利要求1所述的一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂，其特征在于：按质量比，KTaO3:FeVO4:Bi2O3＝1-2:0.05-0.1:1。3.权利要求1或2所述的一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将适量的KTaO3，FeVO4和Bi2O3加入到蒸馏水中，调节混合溶液的PH＝5.5，超声分散10-20分钟，得悬浮液，悬浮液磁力搅拌6-7h后，用蒸馏水洗涤，过滤，所得粉末在80℃下干燥12-14h后，置于350℃下煅烧2-3h，研磨，得三元Z型复合声催化剂KTaO3/FeVO4/Bi2O3。4.根据权利要求3所述的一种降解抗生素废水的三元Z型复合声催化剂的制备方法，其特征在于，所述的KTaO3的制备方法包括如下步骤：将Ta2O5粉末加入到蒸馏水中，在磁力搅拌下滴加KOH水溶液；将所得混合液剧烈搅拌3-6h，得沉淀，将所得沉淀转移到高压釜中，将高压釜密封并在180℃下加热24-25h，自然冷却至室温，所得产物用蒸馏水和乙醇洗涤，离心得固体物，将所得固体物在80℃下干燥12-14h后，置于350℃下煅烧2-3h，研磨，得KTaO3粉末。5.根据权利要求3所述的一种降...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君，乔静，张朝红，张洪波，李思怡，张萌，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21