石墨相氮化碳降解水中氨氮

翟瑞琪 高玉 于会娟 张英杰 * 高翠萍 杨荣彬

（1.大理大学农学与生物科学学院，云南大理 671003；2.云南省高校微生物生态修复技术重点实验室，云南大理 671003；3.大理大学工程学院，云南大理 671003）

1 引言

氨氮在水中主要以游离氨和铵离子的形式存在［1］，水体中氨氮主要来源于人类的生活污水、农业灌溉污水、畜牧养殖污水以及工业污水等［2］。水中氨氮超标会影响水生生物的生存［3］，造成水生生物繁殖能力下降或死亡，也会导致水体富营养化，引起水华等问题［4］。同时氨氮超标会影响人体健康，出现头晕、恶心、呕吐等不适症状，甚至可能对肝、肾等器官造成损伤。因此，控制水中氨氮浓度至关重要［5］。

目前处理水中氨氮的技术有生物法、化学法等［6-7］。但生物法需要较长处理时间和稳定的环境条件，操作难度较大［8］；化学法需要消耗大量的化学试剂，生成的沉淀物的后续处理会造成二次污染［9］。本文主要通过光催化法降解水中氨氮。光催化技术可以在较短时间内降解水中污染物，处理效率高［10］；不需要添加大量的化学试剂，对环境友好［11］；具有更低的能耗和操作成本；可进行多次循环利用［12］。本文选择石墨相氮化碳为光催化剂，在氙灯照射下，研究不同初始氨氮含量、不同初始pH 对氨氮降解效果的影响。

2 实验部分

2.1 实验材料

仪器：电子天平；紫外可见分光光度计（UV－5500PC，上海元析仪器有限公司）；精密酸度计（PHS－3C，上海虹益仪器仪表有限公司）。

试剂：尿素（分析纯）。

2.2 实验方法

将尿素置于带盖坩埚中后，放入马弗炉中，以5 ℃/min 的升温速率从室温升至500 ℃的煅烧温度，在该煅烧温度下煅烧4 h，然后自然冷却至室温，得到实验材料石墨相氮化碳（g－C3N4）。

3 结果与讨论

3.1 初始pH 对氨氮降解的影响

为研究不同初始pH 对氨氮降解效果的影响，取模拟氨氮废水100 mL，控制初始氨氮含量为7.5 μg，催化剂投加量15 mg，初始pH 分别为8，11，13，黑暗条件下吸附30 min，氙灯照射2 h，实验结果如图1所示。在碱性条件下，随着初始pH 升高，氨氮去除率提高。当初始pH＝8 时，光催化2 h 后，氨氮去除率为70.45%；当初始pH＝11 时，光催化2 h 后，氨氮去除率为84.86%；当初始pH＝13 时，光催化2 h 后，氨氮去除率为95.68%。分析原因可能是，随着初始pH的增大，溶液中存在更多的OH－和·OH，材料光催化效果增强。

图1 初始pH 对氨氮降解的影响

3.2 初始氨氮含量对氨氮降解的影响

分别取氨氮含量为7.5，10.0，22.5 μg 的模拟废水100 mL，光催化剂投加量15 mg，pH＝12，黑暗条件下吸附30 min，氙灯照射下2 h，验证初始氨氮含量对光催化效果的影响，实验结果如图2 所示。由图2 可知，当初始氨氮含量为7.5 μg 时，氨氮去除率最高，光催化2 h 后，去除率达到84.86%。分析原因可能是当初始氨氮含量较少、初始pH 较高时，光催化剂去除氨氮的效果较好。随着初始氨氮含量的增加，去除率逐渐降低。

图2 初始氨氮含量对氨氮降解的影响

4 反应动力学研究

根据pH 对氨氮降解效果的影响，进行反应动力学拟合，结果如图3 所示。

图3 pH 对氨氮降解效果的影响

本实验采用伪一级动力学模型对光催化降解氨氮动力学进行研究，其方程式如下：

式中，k 为速率常数，min－1；t 为反应时间，min；C0为初始浓度，μg/mL；Ct为t 时刻反应物的浓度，μg/mL。

pH 分别为8，11，13 时，速率常数依次增大；pH＝13 时，速率常数达到最大，表明g－C3N4在强碱条件下可能活性更大。

5 结论与展望

（1）将尿素作为原材料制备得到的g－C3N4，在氙灯照射下对氨氮有良好的降解效果，当初始pH＝13时，控制氨氮初始含量为7.5 μg，光催化2 h 后，氨氮去除率为95.68%。

（2）由伪一级动力学可知，g－C3N4在碱性条件下对氨氮有良好的降解速率。可能归因于随着初始pH的增大，溶液中存在更多的OH－和·OH，从而增强光催化效果。

（3）本文以降解氨氮为目的，获得了对氨氮具有良好光催化活性的光催化剂g－C3N4，但本文是对实验室模拟氨氮溶液进行降解，而实际水样中含有重金属离子以及有机污染物等，可完善并提升光催化性能，进一步应用于实际废水处理。本文通过实验得到的g－C3N4为粉状，在实验过程中出现流失的情况，若使材料尽可能得到应用，可将材料进行固定，以期对水中氨氮进行良好处理。