石墨相氮化碳降解水中氨氮

翟瑞琪 高玉 于會娟 張英杰 * 高翠萍 楊榮彬

（1.大理大學農學與生物科學學院，云南大理 671003；2.云南省高校微生物生態修復技術重點實驗室，云南大理 671003；3.大理大學工程學院，云南大理 671003）

1 引言

氨氮在水中主要以游離氨和銨離子的形式存在［1］，水體中氨氮主要來源于人類的生活污水、農業灌溉污水、畜牧養殖污水以及工業污水等［2］。水中氨氮超標會影響水生生物的生存［3］，造成水生生物繁殖能力下降或死亡，也會導致水體富營養化，引起水華等問題［4］。同時氨氮超標會影響人體健康，出現頭暈、惡心、嘔吐等不適癥狀，甚至可能對肝、腎等器官造成損傷。因此，控制水中氨氮濃度至關重要［5］。

目前處理水中氨氮的技術有生物法、化學法等［6-7］。但生物法需要較長處理時間和穩定的環境條件，操作難度較大［8］；化學法需要消耗大量的化學試劑，生成的沉淀物的后續處理會造成二次污染［9］。本文主要通過光催化法降解水中氨氮。光催化技術可以在較短時間內降解水中污染物，處理效率高［10］；不需要添加大量的化學試劑，對環境友好［11］；具有更低的能耗和操作成本；可進行多次循環利用［12］。本文選擇石墨相氮化碳為光催化劑，在氙燈照射下，研究不同初始氨氮含量、不同初始pH 對氨氮降解效果的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

儀器：電子天平；紫外可見分光光度計（UV－5500PC，上海元析儀器有限公司）；精密酸度計（PHS－3C，上海虹益儀器儀表有限公司）。

試劑：尿素（分析純）。

2.2 實驗方法

將尿素置于帶蓋坩堝中后，放入馬弗爐中，以5 ℃/min 的升溫速率從室溫升至500 ℃的煅燒溫度，在該煅燒溫度下煅燒4 h，然后自然冷卻至室溫，得到實驗材料石墨相氮化碳（g－C3N4）。

3 結果與討論

3.1 初始pH 對氨氮降解的影響

為研究不同初始pH 對氨氮降解效果的影響，取模擬氨氮廢水100 mL，控制初始氨氮含量為7.5 μg，催化劑投加量15 mg，初始pH 分別為8，11，13，黑暗條件下吸附30 min，氙燈照射2 h，實驗結果如圖1所示。在堿性條件下，隨著初始pH 升高，氨氮去除率提高。當初始pH＝8 時，光催化2 h 后，氨氮去除率為70.45%；當初始pH＝11 時，光催化2 h 后，氨氮去除率為84.86%；當初始pH＝13 時，光催化2 h 后，氨氮去除率為95.68%。分析原因可能是，隨著初始pH的增大，溶液中存在更多的OH－和·OH，材料光催化效果增強。

圖1 初始pH 對氨氮降解的影響

3.2 初始氨氮含量對氨氮降解的影響

分別取氨氮含量為7.5，10.0，22.5 μg 的模擬廢水100 mL，光催化劑投加量15 mg，pH＝12，黑暗條件下吸附30 min，氙燈照射下2 h，驗證初始氨氮含量對光催化效果的影響，實驗結果如圖2 所示。由圖2 可知，當初始氨氮含量為7.5 μg 時，氨氮去除率最高，光催化2 h 后，去除率達到84.86%。分析原因可能是當初始氨氮含量較少、初始pH 較高時，光催化劑去除氨氮的效果較好。隨著初始氨氮含量的增加，去除率逐漸降低。

圖2 初始氨氮含量對氨氮降解的影響

4 反應動力學研究

根據pH 對氨氮降解效果的影響，進行反應動力學擬合，結果如圖3 所示。

圖3 pH 對氨氮降解效果的影響

本實驗采用偽一級動力學模型對光催化降解氨氮動力學進行研究，其方程式如下：

式中，k 為速率常數，min－1；t 為反應時間，min；C0為初始濃度，μg/mL；Ct為t 時刻反應物的濃度，μg/mL。

pH 分別為8，11，13 時，速率常數依次增大；pH＝13 時，速率常數達到最大，表明g－C3N4在強堿條件下可能活性更大。

5 結論與展望

（1）將尿素作為原材料制備得到的g－C3N4，在氙燈照射下對氨氮有良好的降解效果，當初始pH＝13時，控制氨氮初始含量為7.5 μg，光催化2 h 后，氨氮去除率為95.68%。

（2）由偽一級動力學可知，g－C3N4在堿性條件下對氨氮有良好的降解速率。可能歸因于隨著初始pH的增大，溶液中存在更多的OH－和·OH，從而增強光催化效果。

（3）本文以降解氨氮為目的，獲得了對氨氮具有良好光催化活性的光催化劑g－C3N4，但本文是對實驗室模擬氨氮溶液進行降解，而實際水樣中含有重金屬離子以及有機污染物等，可完善并提升光催化性能，進一步應用于實際廢水處理。本文通過實驗得到的g－C3N4為粉狀，在實驗過程中出現流失的情況，若使材料盡可能得到應用，可將材料進行固定，以期對水中氨氮進行良好處理。