Fe3O4@ATP/WS2复合催化剂的制备及其对印染废水污染物的降解

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印染废水中含有的有机污染物对人类以及其他生物具有很高的毒性和致癌性,而纺织印染行业是我国工业废水的排放大户,约占整个工业废水排放量的三分之一。不仅如此,印染工业废水还普遍存在有机化学污染物含量高、色度深、碱性大、水质环境变化大等这些不利于无害化处置的环境污染特点。近几十年来相关科学技术工作者们迫切地寻找一种可以高效便捷而又经济环保的无害化处理方法。其中由于一般对于温度和压力没有严格要求,作为经典的高级氧化法,芬顿以及类芬顿反应受到了研究者们的热点关注。同时如何提高芬顿以及类芬顿反应的效果并且克服其缺陷则成为了广大科研人员的工作重点。天然矿物材料凹凸棒石虽在水处理领域中使用范围广且经济实用,但吸附量小以及吸附能力易饱和的缺点限制了其进一步的应用。如果此矿物材料能够与催化方法良好的结合,将会大大拓宽其应用范围。所以本研究依托类芬顿反应原理,采用沉积法和水热法制备了以环境友好的矿物材料凹凸棒石为载体的Fe3O4@ATP/WS2纳米复合材料,并进行了相关研究,主要内容如下:详细研究了在类芬顿反应中,过氧化氢使用量、环境温度、环境pH、催化剂的使用量、Fe3O4的被负载量对Fe3O4@ATP/WS2催化剂催化活性的影响。结果表明:随着过氧化氢使用量由10 mmol/L增加到50 mmol/L,催化效率提高,但是当使用量增加到70 mmol/L时降解效果反而降低;环境温度由20℃升高到60℃稍有助于催化能力提升,但整体而言,温度对催化性能的影响不是很大;pH=2.5或pH=4.5时降解效果非常好,pH=6.5时效果稍逊于前两者,pH=8.5降解效果最差,但经长时间处理也可达到同样的结果;催化效果随着催化剂使用剂量由0.1 mg/L增大到0.7mg/L而提升,但是催化效果的强化幅度将会变得很小;Fe3O4的被负载量的改变对降解效率影响不大。研究了Fe3O4@ATP/WS2催化剂的循环稳定性。实验结果显示,经过5次罗丹明B(RhB)催化降解实验,本研究制备的Fe3O4@ATP/WS2催化剂仍然具备较良好的吸附和催化降解稳定性,降解率较高可维持在80%左右,具有可靠的可重复性和较高的利用性。以RhB作为目标污染物,探索了Fe3O4@ATP/WS2复合材料降解RhB污染物分子的可能催化机理,并分析使其表现出良好催化效果的因素。探索结果显示:吸附阶段中,ATP解离后大量增加了吸附剂与污染物分子的接触面积,促进了对污染物的吸附能力;催化阶段中,还原性铁作用于过氧化氢产生强氧化剂氧化污染物,这个过程产生的高价位铁在二硫化钨还原性位点的作用下快速转换为低价位还原性铁,产生的还原性铁再次作用于过氧化氢。然后通过这样持续不间断的循环过程降解目标污染物。催化剂表现良好的因素可归纳如下:凹凸棒石具有的吸附性能以及水热解离后增大的吸附位点使催化剂更容易吸附有机分子,加快了污染物分子被降解的进程;含有大量还原性位点的WS2的引入很大幅度上提高了三价铁向二价铁转换进程。
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