MoS2强化Fe2+活化单过硫酸盐去除磺胺甲恶唑和六价铬的研究

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单过硫酸盐(PMS)能够被亚铁离子(Fe2+)活化有效降解水溶液中有机污染物,但该反应中三价铁离子(Fe3+)被PMS还原为Fe2+的效率较低,使得单独使用Fe2+/PMS体系降解有机物时所需的Fe2+投量较大,这也一直限制着Fe2+/PMS体系在水处理中的应用。
  本研究针对Fe2+/PMS体系中Fe2+/Fe3+循环慢的问题,将二硫化钼(MoS2)作为助催化剂加入Fe2+/PMS体系中,分别对单独磺胺甲恶唑(SMX),以及SMX与六价铬[Cr(Ⅵ)]共存情况下进行去除效能和机理研究。主要研究结论如下:
  (1 )MoS2显著提升了Fe2+/PMS体系降解SMX的效率,反应6分钟时MoS2/Fe2+/PMS体系对SMX降解率比Fe2+/PMS体系提高了51.8%;MoS2/Fe2+/PMS体系中pH值为3.0时SMX降解效果最佳,同时在[MoS2]0=0.3g/L,[Fe2+]0=70μmol/L,[PMS]0=75μmol/L,[SMX]0=25μmol/L条件下反应6分钟对SMX降解率达到88.5%;MoS2、PMS浓度与SMX去除率呈正相关趋势;在Fe2+/MoS2≤1:20时提升Fe2+浓度促进SMX降解,而当Fe2+/MoS2>1:20时提升Fe2+浓度抑制SMX降解;氯离子和腐殖酸分别对该降解过程有促进和抑制效果,而硝酸根离子和碳酸氢根离子对SMX降解未见明显影响;在实际水体中MoS2/Fe2+/PMS体系对SMX也有良好降解效率(>80%);重复使用6次后MoS2的结构稳定性与在MoS2/Fe2+/PMS体系中的助催化性能均保持良好。
  (2)MoS2在MoS2/Fe2+/PMS体系中加速了PMS活化和Fe2+/Fe3+的循环过程,推测MoS2通过表面的Mo4+活性点位与Fe3+的反应促进Fe2+/Fe3+循环;通过电子顺磁共振(EPR )实验和淬灭实验分析,得知硫酸根自由基和羟基自由基均为MoS2/Fe2+/PMS体系中降解SMX的主要活性物质;根据鉴定的8种SMX中间产物,推测SMX在MoS2/Fe2+/PMS体系中的主要降解途径为S-N键断裂,芳香环羟基化和胺基氧化。
  (3)研究发现MoS2/Fe2+/PMS体系可同时去除溶液中的SMX和Cr(Ⅵ),在[MoS2]0=0.9g/L,[Fe2+]0=0.3mmol/L,[PMS]0=1mmol/L,[Cr(Ⅵ)]0=100μmol/L,[SMX]0=25μmol/L,初始pH为3.0条件下反应30分钟时对SMX和Cr(Ⅵ)的去除率分别达到98.8%和99.2%;该实验中MoS2和Fe2+浓度与Cr(Ⅵ)去除率呈正相关趋势,而PMS浓度过高会抑制Cr(Ⅵ)的去除;氯离子和腐殖酸(HA)均对六价铬的去除有抑制效果;MoS2/Fe2+/PMS体系下Cr(Ⅵ)的去除机理不仅与MoS2还原生成的亚铁离子有关,Cr(Ⅵ)也能够被MoS2或PMS直接去除。
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