Cu2O 复合物光催化降解抗生素性能方案研究★

周 帅，冯 姗，陈晓静，许祖豪

（六盘水师范学院矿业与土木工程学院，贵州 六盘水 553004）

1 研究目的及背景

近年来，污染问题越来越引起人们的重视，政府和各行业部门都采取了更加严格的控制标准和措施。虽然现在有很多污水处理方法应用到了实际生产中，但是由于这些处理方法自身具有局限性，因而对于一些有毒并且很难降解的生化废水仍然不能有效地治理。水是人类的生命之源，地球上的水资源覆盖率达到了70%，但是其中人们可使用的淡水资源却少之又少，再加上现在科学技术的发展，许多工厂将未处理的废水直接排入河道中，导致大面积的水资源遭到污染，我国更是因为人口众多的缘故，人均水资源占有量仅为约为世界人均占有量的1/4，我国也因此被联合国定为13 个贫水国家之一[1-2]。由此可见，在众多环境污染问题中，水污染问题也是最严峻的问题之一，同时也得到了许多科学家和业内人士的广泛关注。

在医疗方面，虽然抗生素为人们带来生的希望，但是同时也对人类的水资源造成了极大的污染，特别是制药工厂排除来的抗生素废水（如四环素）不容易被降解，而处理河道中的抗生素废水更是难上加难。抗生素污水排放不仅会让细菌、病毒通过自来水进入人体，同时也会影响到家禽和农作物，使蔬菜、肉类等受到污染，严重地危害到了人类的正常生活和身心健康。

2 光催化技术的发展现状与趋势及主要问题

2.1 国内发展现状

光催化技术在处理水污染研究方向中是一种重要技术、也是目前较为有效的技术。相比起国外，我国在光催化技术方面起步比较晚，最开始是青岛海洋大学和中科院海洋研究所与澳大利亚的学者合作，在光催化方面进行了一些研究[3]。吴继星[4]发现光解反应可以处理的有毒物质多达80 多种，其中包括工业有毒溶剂、化学杀虫剂、染料等。

在国内，许多学者以Cu2O 作为催化剂进行光催化实验研究，发现Cu2O 在水污染处理项目中有着很大的优势[5]。随后，李家麟等发现，将Cu2O 制作成纳米颗粒，可以作为光催化反应中的催化剂，并且在降解染料亚甲基蓝的实验中展示出了极高的催化降解能力。陈金毅等和肖国林等通过在被降解的有机污染物中加入过氧化氢溶液，和提高溶液pH 值来研究降解亚甲基蓝的最佳条件，从实验结果可以看出，加入过多的过氧化氢溶液并没有为降解实验带来很大的优势，调节pH 值为13 时催化效果是最好的，因此在碱性条件下，降解亚甲基蓝的效果最好。后来，刘洪禄等对用氧化亚铜作为光催化剂降解硝基苯酚实验中，发现可以通过增加光催化剂的用量，从而提高降解硝基苯酚的效率，但是在光催化剂增加到一定程度的时候，催化效率会趋于平缓。随着越来越多的光催化材料被发现，大量的学者也开始研究将多种光催化材料复合起来的催化效果。2020 年，檀苗苗等运用原位还原方法将Cu2O 与PTCDI 复合起来，研究复合材料对有机污染物的降解效果，该实验通过改变复合物中Cu2O 与PTCDI 的含量来进行光催化性能研究，实验表明，当复合物中Cu2O 含量达到90%时光催化效果是最好的，通过对比，Cu2O 单独作催化剂时，催化效果远远不如Cu2O 与PTCDI 的复合催化效果。

2.2 国外发展现状

环境污染时刻影响着人类的生活，同时也威胁着工农业的发展。利用太阳能降解水中的污染是解决这些问题最有前景的技术之一。通过使用半导体材料作为光催化剂可以提高降解效率，减少CO2的排放。在前人的不断研究探索中，发现了许多可以作为光催化剂的半导体材料。从最初的日本学者发现TiO2到现在的ZnO、Cu2O、SnO2、Fe2O3、C3N4等材料，都是前人不断努力的结果。其中，Cu2O 作为半导体材料，具有一定的光催化活性，且具有无毒、成本低廉、制作过程简单等特点，是一种作为光催化剂材料时极具潜力的半导体材料。但是外国学者发现，Cu2O 半导体光催化剂在实际运用的时候仍有缺点和不足，其中易光腐蚀、量子产率低等会影响其在光催化降解过程中的效率。

2.3 发展趋势

自1972 年日本学者发现TiO2可以将水分解起，大批科学家与学者将重心从传统的水污染处理方法上转移到了光催化方法上。由于光催化法是一种非常清洁的方法，且具有催化性能好、成本低廉且无二次污染等优点。因而受到了国内外很多科学家与学者的追捧和研究。目前，一些发达国家把纳米材料作为光催化剂应用在光催化装置中。我国是水污染较为严重的国家之一，因此光催化治理水污染也将成为我国的研究重点。

在这一过程中，人们发现了不少新的光催化剂材料，Cu2O 和CoFe2O4就受到许多学者的关注。其中，Cu2O 作为光催化剂材料具有无毒、环境友好、可见光吸收能力较好的优点，但是其禁带宽度小，光激发电子和表面空穴容易复合，会使得光催化能力降低。CoFe2O4作为磁性材料也可以作为一种光催化剂，具有半径较小、化学稳定性高、硬度大等优点。因此可以将Cu2O 和CoFe2O4制作成一种复合的光催化剂，从而弥补Cu2O 由光激发电子和表面空穴容易复合，导致光催化能力降低的缺点。

2.4 主要问题

1）如何选择铁酸钴的制备方法并确定铁酸钴的制备方案；

2）如何确定氧化亚铜/铁酸钴的复合方法并确定复合物的制备方案；

3）运用单因素实验控制变量选出氧化亚铜/铁酸钴光催化剂降解的最优条件。

4）光催化降解污染物的研究目前大多数仍处于实验室研究阶段，因而在实验室中模拟的污染物会比较单一，其他影响因素较少，便会出现与实际污染物的处理存在出入的问题。

3 Cu2O 复合物的制备方案

3.1 铁酸钴的制备

铁酸钴的制备方法主要有溶胶-凝胶法、化学共沉淀法和水热法。其中，溶胶-凝胶法需要的原材料较为昂贵、颗粒间烧结性较差、干燥时收缩性大，而且容易出现团聚问题；水热法对设备要求很高、技术难度较大，而且安全性能差等；而沉淀法反应时间短、工艺过程简单、操作方便，同时易于工业化。综上分析，化学沉淀法较为适合本次实验。

3.2 Cu2O/CoFe2O4 复合物的制备

氧化亚铜复合物的合成方法主要有溶剂热法、电化学沉积法、液相还原法，其中，溶剂热法和电化学沉积法的实验成本较大且容易造成环境污染，与本文的主题背道而驰。因此，采用成本较低、操作简单的液相还原法制备氧化亚铜复合物。

3.3 单因素实验研究氧化亚铜复合物的光催化工艺

通过改变复合物中氧化亚铜和铁酸钴的质量之比、四环素溶液的pH 值、催化剂的用量以及四环素溶液的初始浓度和PMS 的用量从而探索出光催化效率最好的条件。

4 结语

光催化技术作为一种新兴的污染治理技术，正因为其价格低廉、处理高效、工艺简单、无二次污染等优点从而日益受到世界各国的重视。并且光催化技术是目前处理水污染较有效、较环保的技术。对于光催化技术的研究，我国要比国外晚，目前我国已研究出了许多可以用作光催化剂的材料，且这些材料的降解效率都比较高，Cu2O 就是其中一个可以被用作光催化剂的材料。在研究光催化技术过程中，许多学者都选择了Cu2O。通过这些学者的研究我们可以了解到，在光催化实验中，环境的酸碱度、催化剂的用量和其他的活性物质的用量都会影响到物质的降解效率。根据学者研究结果可知，酸碱度和活性物质的用量并不是越大降解效果越好，或者越小降解效果越好，有时候处于一个中间值降解效果越好；而催化剂的用量越多，降解效率会越好，但是达到一个值之后，会趋于平缓。因此需要探索出一个降解效率较佳的、较环保的、成本较低的条件来进行光催化。争取做到催化效率最大，造成的污染最小且所需成本最低。