CuMg@Fe3O4活化过一硫酸盐降解对乙酰氨基酚的研究

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过一硫酸盐(PMS)高级氧化技术(AOPs)因其能产生多种氧化性极强且存活时间更长的反应活性物种,能够持续不断地降解难降解有机污染物,被认为是降解顽固型有机污染物的较好策略,但是该技术尚存在能耗大、易腐蚀设备以及易造成二次污染等不足。因此,本研究尝试性地以把复合材料CuMg@Fe3O4作为催化剂,构建了PMS/CuMg@Fe3O4非均相高级氧化体系,并以对乙酰氨基酚为模型污染物,对该体系对对乙酰氨基酚的降解效能、活化机理、降解途径及生物毒性展开研究,主要研究内容及结果如下:(1)通过共沉淀法制备Cu@Fe3O4和CuMg@Fe3O4两种催化剂,并对催化剂的催化性能进行比较,采用SEM、FT-IR、XPS表征手段,分析两种催化剂的形貌变化及结晶情况。研究发现,与Cu@Fe3O4相比,加入非过渡金属Mg金属以后,CuMg@Fe3O4催化性能得到极大的提升,结晶度更高,且催化剂表面粗糙,有层状结构出现,比表面积更大。(2)探究了各影响因素及水质参数对PMS/CuMg@Fe3O4体系降解对乙酰氨基酚的降解效能的影响。对乙酰氨基酚在该体系中的降解符合伪二级动力学模型,体系对温度的依赖性较低,其表观活化能为22.14 kJ/mol,影响该体系的主要反应因素有PMS浓度、催化剂投加量以及pH0,其中pH0对体系的降解效能的影响最为显著,pH为6、9时,对乙酰氨基酚的降解速率及去除率较极酸、中性及极碱条件下好,通过优化实验降解对乙酰氨基酚(1 mM)的最佳反应条件为PMS浓度为2 mM、催化剂投加量为2g/L、反应温度为30℃。对水质参数的研究表明,HCO3-以及HA对降解对乙酰氨基酚呈一定的抑制作用,而Cl-对降解对乙酰氨基酚呈促进作用。(3)通过离子强度实验、淬灭实验、EPR及XPS分析,对反应过程中CuMg@Fe3O4活化PMS的机制进行了探究。研究发现,在溶液中PMS与催化剂之间的反应为外球面反应,反应的活性物种主要有1O2、·OH、SO4·-,其中,1O2起主导作用。CuMg@Fe3O4在活化PMS过程中,Cu(Ⅰ)和Fe(Ⅲ)据发生了价态变化,且Fe的价态变化更大。(4)通过GC-MS检测,提出一条可能的降解途径,发现体系中的反应活性物种主要进攻酚羟基对位的基团,从而形成对二苯酚进而被进一步氧化成小分子有机化合物,该过程包括羟基化、脱氨基化、碳碳双键氧化断裂和单键断裂等多种作用,同时通过生物毒性及PMS残留情况进行研究,结果表明,与其他体系相比,使用PMS/CuMg@Fe3O4体系降解对乙酰氨基酚,其出水产生毒副产物的潜能降低,进而减少对水环境造成的二次污染。
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