氮化碳复合材料的构筑及其对泰乐菌素光解

发布时间：2020-03-23 15:31

【摘要】：抗生素被普遍的应用于各类感染性疾病的治疗以及畜牧养殖上,然而其大量的被滥用,导致抗生素在环境中的残留逐渐增加,对人类和生态环境造成潜在的危害。传统的生物化学工艺并不能有效的处理抗生素废水,而研究发现利用充足的阳光照射半导体光降解抗生素是解决全球抗生素水污染的理想方法。类石墨相氮化碳(g-C_3N_4)作为非金属半导体,由于其无毒、廉价易得等优点被广泛的应用于有机污染物降解。但由于g-C_3N_4的比表面积较小、光吸收能力较低、电子-空穴的分离效率低,导致光催化效率较低,影响其实际应用。为了提高g-C_3N_4的光催化性能,本文围绕g-C_3N_4进行多方面改性,通过表征分析所制备的复合材料的物理化学特性,同时研究其光降解泰乐菌素(TYL)的性能和机理,具体研究内容如下:(1)通过热聚合和水热法制备出新型的针铁矿/g-C_3N_4复合催化剂,利用针铁矿与g-C_3N_4的价带(VB)和导电带(CB)的不同,构造半导体异质结有效地抑制电子空穴对的重组。当针铁矿与g-C_3N_4的质量比1:1时,所制备的催化剂展现出最强的降解效率,其光降解效率是纯g-C_3N_4的3倍多。此外,针铁矿的负载使得复合催化剂的比表面积和光吸收能力得到大幅度增加,有效的抑制了电子空穴对的重组。实验研究发现针铁矿/g-C_3N_4复合材料在光照下所产生的超氧化物自由基(·O_2~-)和羟基自由基(·OH)是主导TYL光降解的主要活性基团。同时,经过循环实验也证实了针铁矿/g-C_3N_4复合材料具有较好的稳定性和循环利用性。(2)利用单糖(葡萄糖)、双糖(蔗糖)和多糖(环糊精)为前驱体,通过表面活性剂改性合成具有更高的晶体结构的改性碳球。而在g-C_3N_4中所嵌入的少量改性碳球可以形成一个具有亲密界面的异质结,以碳球为载电体促进电子空穴对的分离效率。通过表征和光解实验发现,改性碳球以其本身的特性扩大了g-C_3N_4的可见光吸收范围,并且通过电子的转移抑制了电子空穴对的重组,从而提高对TYL的光降解效率。此外,研究表明主导TYL光降解的活性基团是·O_2~-和·OH,而TYL的光降解过程符合伪一级反应动力学。(3)分别以双氰胺、三聚氰胺和尿素为前驱体,利用硝酸钠的氧化和爆裂性,通过热聚合制备出的改性g-C_3N_4。通过表征发现,硝酸钠的摩尔比含量与前驱体的种类对不仅影响所合成g-C_3N_4的晶体结构和化学结构,同时也会影响g-C_3N_4的凝结程度和比表面积;硝酸钠能够改变g-C_3N_4的晶体结构,并产生了新的化学键,诱导g-C_3N_4的物理化学特性发生变化,从而提高了其光催化降解TYL的能力。在模拟的太阳光照射下,以双氰胺、三聚氰胺和尿素为前驱体改性后的g-C_3N_4的光降解速率分别是未改性g-C_3N_4的5.05、5.32、12.93倍。此外,研究发现,改性后的g-C_3N_4能产生更多的·O_2~-和空穴(h~+),能大幅度提高光降解TYL的效率。
【图文】：

抗生素,饲用抗生素,微生物

径来灭杀微生物或抑制微生物繁殖，以达到治疗的效进入环境的途径素被发现可广泛的应用于人类、动物感染性疾病的治物生长，抗生素的使用和消耗就逐年增加。然而人和些抗生素，有高达 70％的抗生素是以母体或代谢物的环境中[5]。随着抗生素的使用, 土壤、沉积物、污泥、地，小溪，河流、海洋)、植物和水生动物等环境介质中存在[20]。此外，环境中的抗生素的来源很广泛，主要用抗生素及畜牧业饲用抗生素的使用。环境中抗生素图 1 所示[22]。

泰乐菌素,结构式

提高其抗病能力，缩短生长周期，提高经济效益和饲料使用效率。研究人员向 4 个月的猪仔喂食每公斤含 5-20 mg 的 TYL 饲料，结果发现添加 20 mg TYL的饲料对猪的体重提高最多，，达到平均日增重 700 克，并且明显降低了猪的发病率[48]。此外，TYL 不能被禽畜完全吸收，会有 70%以上以母体或代谢产物形式排出体外，进而危害人类和生态健康。TYL 是一种呈浅黄色或白色的粉末，水中的溶解度为 5 g/L，易溶于乙腈等极性溶液，无臭，味苦，呈弱碱性[15]。TYL 是由四个部分组成（表 2），分别是6-脱氧-D-阿洛糖（mycinose），十六元泰乐内酯环（tylactone），氨基碳霉糖（mycaminose）和红霉糖（mycarose），TYL 的结构式见图 2[49]。此外，TYL 在发酵生产过程产出 A、B、C 和 D 四种活性组分（见），其中 A 组分占大约 95%，并且 A 组分的抗菌性最强[49]。此外，TYL 的具体性质见表 3，通过 pKa 可以发现当 TYL 溶液的 pH 值<7.1 时，其主要以正电荷形式存在，而当 pH 值大于 7.1 时，TYL 是以不带电荷的分子态存在。TYL 在不同 pH 值的水溶液中所表现出具体形态如图 3 所示。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】