铁基镁铝类水滑石催化活化过硫酸盐降解有机污染物的效果和机理研究

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为了应对日益增长的水污染问题,芬顿体系及由此衍生的铁基高级氧化体系由于其高效、环境友好和原料廉价等优点而受到广泛关注和研究。然而,较难实现的FeIII/FeII氧化还原循环限制了它在实际应用中的可持续活性。本文围绕由镁铝类水滑石经过离子交换得到的MgAl-MoS4 LDH分别构建铁基的均相与多相的两种催化体系,期望借助中间层MoS42-阴离子中富集硫醇基团(S2-)控制FeIII/FeII和MoVI/MoIV的氧化还原循环,高效活化过硫酸盐(PMS)降解有机污染物。本研究通过水热法和离子交换法制备具有良好LDH结构的MgAl-MoS4和FeMgAl-MoS4催化剂,构建Fe3++MgAl-MoS4LDH/PMS和FeMgAl-MoS4 LDH/PMS两种体系分别降解4-氯苯酚(4-CP)和对羟基苯甲酸(PHB),并探究两种体系的催化氧化性能和反应机理。主要研究内容和结果如下:(1)利用水热法和离子交换法制备了MgAl-MoS4 LDH,利用Fe3++MgAl-MoS4LDH作为催化剂活化PMS在60分钟内对4-CP的去除率超过98%。经过比选后确认体系的最优条件为:MgAl-MoS4 LDH投加量为0.1 g/L,Fe3+投加量为5 ppm,PMS投加量为3 mM,在最优反应条件下体系在60分钟内可以将4-CP基本完全降解。(2)Fe3++MgAl-MoS4 LDH/PMS体系是外表面反应,依赖于PMS、4-CP和MgAl-MoS4 LDH颗粒之间的静电相互作用,降解4-CP反应过程中的主要活性物种为SO4·-和·OH,其中SO4·-做出了主要贡献。对Fe3++MgAl-MoS4活化PMS的过程提出以下推断:PMS在活化过程中首先与MgAl-MoS4 LDH的表面的一些活性位点结合形成络合物,与此同时溶液中的FeIII被吸附到MgAl-MoS4的表面并被还原为FeII,经过电子转移后将PMS活化产生SO4·从而降解4-CP。(3)用水热法和离子交换法制备了FeMgAl-MoS4 LDH,利用FeMgAl-MoS4 LDH作为催化剂活化PMS在60分钟内对PHB的去除率达到100%。经过比选后确认催化体系的最优条件为:FeMgAl-MoS4 LDH投加量为0.25 g/L,PHB投加量为10 ppm,PMS投加量为5 mM,在最优反应条件下体系在60分钟内可以将PHB完全降解。与其他高级氧化体系相比,Fe-MoS4/PMS体系在较宽范围内pH(3.0-10.0)都能保持基本一致的氧化性能,常见阴离子或腐殖酸对本体系的影响非常轻微。(4)FeMgAl-MoS4 LDH/PMS体系降解PHB是外表面反应,依赖于PMS、PHB和FeMgAl-MoS4 LDH颗粒之间的静电相互作用,反应过程中的主要活性物种为SO4·-和·OH,其中SO4·-在PHB降解中做出了主要贡献,贡献率为57%,而·OH的贡献率为35%。对Fe-MoS4/PMS体系活化PMS的路径提出了一种合理的机制:首先,PMS在Fe-MoS4催化剂的表面经过络合和电子转移等过程后,表面结合的≡FeII/MoIV被氧化为≡FeIII/MoVI,并产生SO4·活性物种降解有机底物。随后,S2-物种在一系列反应中被氧化成S0或SO32-/SO42-。此过程中产生的电子将用于把≡FeIII/MoVI还原成表面结合的≡FeII/MoIV物种,从而开始新的PMS活化过程。该循环过程将持续直到Fe-MoS4催化剂中的所有S2-被氧化。
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