铁—碳催化剂体系对有机污染物的吸附与催化协同作用研究

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磁铁矿(Fe3O4)在自然界中广泛存在,在其表面Fe2+/Fe3+之间不停的相互转化,故Fe3O4是一种理想的异相催化剂。但是,Fe3O4在反应过程中往往聚集在一起,掩盖了其表面的活性位点,抑制了催化活性。为此,本文选择来源丰富、廉价易得、环境友好的生物炭(BC)作为载体负载Fe3O4,以抑制其在反应过程中的团聚现象,活性位点得以暴露,从而提高Fe3O4的催化活性。本文用一步共沉淀法、水热法合成纳米 Fe3O4-生物炭(Fe3O4-BC)、CuO-Fe3O4-生物炭(CuO-Fe3O4-BC)异相催化剂,并研究了异相催化剂吸附与协同催化去除双酚A(BPA)的反应过程和机理,取得如下结论:1、以法桐落叶为原生质热解得到的生物炭具有良好的理化性质,为更好地负载Fe3O4提供了条件。一步共沉淀法成功地合成了 Fe3O4-BC复合纳米材料。2、Fe3O4-BC催化PMS的能力远远大于Fe3O4,这可能是因为生物炭的吸附能力,增大了催化剂与PMS以及S04·-与BPA分子的接触机率,从而增大了催化剂和SO4O·-的利用率。BPA的去除效率随着初始pH的降低,催化剂投加量的增大而逐渐提高。3、在Fe3O4-BC/PMS降解系统中存在两种自由基(SO4·-和·OH),两种自由基都能催化降解BPA,其中硫酸根自由基是主要的自由基物种。4、在外加磁场的条件下,Fe3O4-BC材料能很容易地从水溶液中分离出来,在不同初始pH值体系中,材料重复使用5次后析出的铁离子浓度均不超过3 mg/L,说明Fe3O4-BC材料具有良好的可重复性和稳定性,在实际应用中拥有广阔的前景。5、在CuO-Fe3O4-BC/PMS体系中,铜离子的加入使得反应体系能在较宽的pH范围内对BPA达到一个很好的去除效果,克服了传统Fenton反应必须在强酸条件下进行的缺点。并且该催化剂在偏中性条件下去除效果最好,不用在反应前调节溶液的pH值,降低了处理成本,节省了后续处理过程。6、在CuO-Fe3O4-BC/PMS体系中,BPA的去除率随催化剂量的增加而增大。在一定范围内增加PMS浓度,BPA的去除率也随之增大,超过一定PMS浓度后,反而会抑制甚至猝灭SO4·-,降低BPA的去除率。7、铜离子和铁离子的协同作用,加速了Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ),Cu(Ⅰ)/Cu(Ⅱ)的循环,从而加速了催化剂表面的电子传递速率,促进了自由基的生成。生物炭对污染物分子的吸附促进了BPA分子与自由基的接触与反应,进一步提高了BPA的去除率。CuO、Fe3O4和BC三者间达到了一个吸附与催化的协同作用。
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