脉冲放电等离子体协同铁酸锰复合催化剂同时去除地下水中Cr(Ⅵ)和阿特拉津的研究

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重金属-有机物复合污染在地下水污染中广泛存在,严重威胁地下水安全和人体健康。脉冲放电等离子体不仅具有较强的氧化能力,还具有还原能力,能够同时实现地下水中重金属的还原和有机污染物的氧化。然而,单独脉冲放电等离子体技术在处理污染废水过程中无法充分利用放电产生的氧化电位较低的化学活性物质(H2O2、O3)和紫外光等物理效应,导致能量效率低。研究证实脉冲放电等离子体与光催化剂结合能够提高其能量效率,但传统单一光催化剂存在光利用率低、光生电子-空穴对易复合、难回收等问题。复合光催化剂加快光生电子-空穴对的分离效率,但难在一个体系中同时实现氧化和还原。基于此,本文将脉冲放电等离子体分别与rGO-MnFe2O4和rGO-TiO2-MnFe2O4复合催化剂结合,利用脉冲放电等离子体产生的光和H2O2发生光-Fenton催化反应,实现多效催化,同时提高水中Cr(Ⅵ)和阿特拉津(Atrazine,ATZ)的去除效率和脉冲放电等离子体的能量效率。具体研究内容和结果如下:研究脉冲放电等离子体同时去除地下水中Cr(Ⅵ)和ATZ的影响因素,优化脉冲放电等离子体工作参数,并分析去除机理。结果表明,在处理复合污染时,Cr(Ⅵ)和ATZ的去除率均高于单一污染,二者相互促进。在Cr(Ⅵ)和ATZ初始浓度均为10 mg/L,电压为13 k V,电极间距为10 mm,载气量为4 L/min,p H为9.2,电导率为330μS/cm时,放电处理60 min,ATZ和Cr(Ⅵ)的去除率分别为59.3%和54.1%,能量效率(G50)分别为156.8 mg/k Wh和126.3 mg/k Wh。地下水中的主要离子仅HCO3-抑制ATZ降解,其它离子对Cr(Ⅵ)和ATZ的降解无明显影响。O3、H2O2、·OH和·O2-对ATZ降解起作用,而H2O2和·H对Cr(Ⅵ)的去除起作用。ATZ的降解主要涉及脱烷基化和烷基链氧化过程。制备rGO-MnFe2O4催化剂,探究脉冲放电等离子体协同rGO-MnFe2O4去除Cr(Ⅵ)和ATZ的催化性能,分析Cr(Ⅵ)的催化去除机理。光致发光光谱(PL)、光电流和电化学阻抗(EIS)分析表明,rGO-MnFe2O4具有较高的光生载流子分离效率,石墨烯掺杂量为9%时光催化活性最高。磁强度分析表明rGO-MnFe2O4具有顺磁性,磁强度为53.3 emu/g。与单独脉冲放电等离子体体系相比,脉冲放电等离子体/rGO-MnFe2O4体系中ATZ的降解几乎无变化,而Cr(Ⅵ)的去除明显提高。在石墨烯掺杂量为9%,催化剂投加量为0.2g/L,p H为3的条件下处理90 min,Cr(Ⅵ)的去除率提高28.5%,达到73.3%。G50从114.3 mg/k Wh提高到186.5 mg/k Wh,动力学常数从0.007 min-1提高到0.015 min-1。活性物质的生成和作用及XPS分析表明,Fe2+、·H、H2O2和e-对Cr(Ⅵ)的去除起关键作用。制备Z型异质结结构的rGO-TiO2-MnFe2O4三元催化剂,探究脉冲放电等离子体协同rGO-TiO2-MnFe2O4同时去除Cr(Ⅵ)和ATZ的催化性能和催化去除机理。结果表明,rGO-TiO2-MnFe2O4的载流子分离效率高于TiO2和TiO2-MnFe2O4。rGO-TiO2-MnFe2O4在同时去除ATZ和Cr(Ⅵ)中表现出良好的催化活性。当TiO2和MnFe2O4比例为90:10、石墨烯掺杂量为5%、催化剂投加量为0.2 g/L和p H为3.1时,ATZ和Cr(Ⅵ)的去除率分别达到96.2%和79.8%,较单独脉冲放电等离子体体系分别提高27.3%和32.1%。ATZ的G50从193.7 mg/k Wh提高到444.0 mg/k Wh,Cr(Ⅵ)的G50从107.5 mg/k Wh提高到216.8 mg/k Wh。ATZ和Cr(Ⅵ)的动力学常数分别为0.036 min-1和0.018 min-1,是单独脉冲放电等离子体体系的2.8倍和2.6倍。活性物质的生成和作用及XPS分析表明,·OH和h+对ATZ的去除起作用,Fe2+、·H、H2O2和e-对Cr(Ⅵ)的去除起作用。ATZ的去除主要涉及脱烷基、烷基氧化和水解过程。
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