玉米芯生物炭活化过硫酸盐降解有机污染物的机理研究

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有机固体废物是一种潜在的资源,将其进行资源化综合利用,可缓解资源短缺问题,又可有效减少温室气体的排放,还可解决由有机固体废物引起的一系列环境污染问题。大量种类繁杂的有机污染物能够通过不同渠道(如工业、农业、生活排污等方式)排入水环境中,水体有机污染已成为水环境治理的一个难点。目前,吸附、化学氧化降解等技术已发展成为水环境修复的最常用对策。其中,基于过硫酸盐(PS)的高级氧化技术(PS-AOPs)因其降解效率高、氧化能力强而受到广大科研人员的关注,但仍需要寻找高效、环保的活化剂(催化剂)。生物炭作为一种新兴的多孔碳材料,具有活化过硫酸盐的潜力,且具有制备成本低、原料丰富、无二次污染等优势。但如何制备高效的生物炭功能材料并揭示其活化过硫酸盐的机制机理仍有待研究。因此,本工作主要围绕生物炭材料的制备、降解反应条件的优化、反应机理的探讨等方面进行展开。立足于固体废物资源化,以废弃玉米芯为原料,我们制备了一种无金属玉米芯生物炭(CCBC),并分析了CCBC用于过二硫酸盐(PDS)活化的反应途径。热解温度对生物炭的结构和性质具有重要的调控作用。800℃下制得的CCBC孔隙和缺陷结构相对更丰富,从而对2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)、盐酸四环素、环丙沙星、甲基橙和罗丹明B等典型有机污染物的吸附和降解去除能力最佳。CCBC/PDS诱导的是一种复合活化机制,其中自由基路径贡献占比58%,非自由基路径的贡献占比42%。更重要的是,进一步的氧化还原实验表明,CCBC的碳骨架(缺陷、sp~2杂化碳等)是体系自由基生成的重要位点,而表面酮基(C=O)主要对非自由基路径做出贡献,即生成单线态氧(~1O2)。CCBC对多种有机污染物的有效降解说明其具有普适性,在较宽的p H范围内和实际制药废水处理中都表现出了较好的催化活性,这说明该催化剂具有良好的实际应用潜力。
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