论文部分内容阅读
化学氧化技术已被广泛地应用于废水处理和地下水污染修复中,其中电化学氧化技术由于环境友好和灵活可控已表现出很好的发展前景。但是电化学反应受到电极材料活性和稳定性以及析氧副反应的限制,电流效率较低。电-Fenton技术由于可原位产生H202避免了H202运输、储存和处理的风险,同时由于Fe2+可以在阴极再生减少了污泥的产生量。但是电-Fenton技术中H202的产生很大程度上取决于阴极材料,一般需要昂贵而且机械强度低的气体扩散电极,另外加入Fe2+也增加大了处理的复杂性。基于以上不足,我们研究组近年提出了基于Pd催化电解水产物H2和O2原位合成H202的新型电-Fenton技术,有效的克服了合成H202对阴极材料的依赖性。但是,Pd催化剂粉末的回收性较差,处理过程中外加二价铁盐增加了操作复杂性,这两个因素都会增加处理成本。近年来,磁性纳米颗粒被越来越多的应用于水处理中,其中Fe304磁性纳米颗粒(MNPs)具有多孔性和能被磁铁分离回收,被认为是一种很好的吸附剂和催化剂载体。由于表面存在Fe(Ⅱ)和可溶性Fe2+的浸出,Fe304磁性纳米颗粒也被应用于类-Fenton技术中催化H202的分解。综合以上考虑,本研究制备了新型的Pd负载Fe3O4(Pd/Fe3O4)磁性纳米颗粒催化剂。这种催化剂在催化电解水的产物生成H202的同时还能为反应提供Fe2+,而催化剂具备的磁性又能保证很好的被磁铁分离回收。我们使用制备的Pd/Fe3O4催化剂与电解水相结合,对水中的有机污染物的降解效率和机理进行了研究,主要得到了以下结论：(1)合成的Pd/Fe3O4催化剂为多孔结构,BET比表面积为72.76m2/g,颗粒尺寸约为100nm,EDX测试结果显示Pd被成功的负载在片状纳米Fe304表面,XRD表征结果证实了Fe304和Pd的存在,催化剂也表现出很好的磁学特性。(2)在初始pH为3、电流50mA、Pd/Fe3O4催化剂投加量1g/L (Pd质量比含量为5%)的条件下,初始污染物浓度20mg/L的苯酚、罗丹明B、亚甲基蓝均可被有效的降解,其中苯酚60min降解率为98%,罗丹明B和亚甲基蓝分别在60min和45min内被完全降解。单独的电极电解或加入1g/L合成的Fe304电解体系对苯酚基本无降解效果。在pH值大于4时苯酚的降解效率很低,速率常数值k1为0.002min-1；在pH为3的时候降解效果最好,速率常数k1值为0.033min-1；而在pH为2的时候,苯酚的降解速率常数k1为0.011min-1。苯酚的降解速率常数随着Pd在磁性纳米颗粒(Fe3O04)负载量的增加而增加,随着电流的增大而增大,随着苯酚浓度的增大而降低。(3)在Pd/Fe3O4催化电-Fenton体系的降解过程中,H2O在铂片电极电解阴极产生H2阳极产生O2,两种气体先溶解在溶液中,然后化学吸附在Pd的表面,随后两个H原子和活性O2在Pd的表面合成H2O2。同时在Pd表面的活性H原子还原Fe3O4表面的Fe(Ⅲ)产生Fe2+,而原位生成的H2O2和Fe2+通过Fenton反应可以直接合成·OH自由基,随后有机污染物被高效率的降解。(4)Fe3O4催化剂在10次重复降解实验中显示出了稳定的降解水平。Pd/Fe3O4的主要催化结构及磁性在10次降解处理后发生了微小的变化。使用磁铁可以轻易的将10次处理后的Pd/Fe3O4催化剂回收。初步表明Pd/Fe3O4催化剂在Pd负载电-Fenton体系中催化剂的可持续利用中具有一定的潜力。