微波辅助铜基碳化硅催化降解苯酚的研究

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苯酚是重要的化工和医药原料,是合成许多高分子芳香烃的中间体,有着广泛的应用。苯酚及其衍生物由于结构中存在氧原子,在水中具有很高的溶解性,迁移能力强,同时会损害人的神经、肝脏,是主要的环境污染物之一。许多研究人员目前正在寻找消除此类环境污染物的方法。铜基碳化硅(Cu/SiC)在微波辐射下可催化H2O2或S2O82-生成·OH或·SO4-,有机污染化合物可通过与之氧化反应而降解。我们研究了微波辐射系统在不同化学氧化条件下苯酚降解的机理,对于苯酚废水的开发利用,苯酚污染的防治与修复具有重要意义。现得到的主要研究结论如下:(1)SEM-EDX观察发现铜氧化物在碳化硅载体表面分散良好,通过XPS分析Cu主要以+2价存在。Cu/SiC催化剂在高浓度苯酚溶液中具有有效的催化活性,在微波高级氧化工艺中在6分钟内实现了超过90%的苯酚去除。经过5轮循环的催化剂在活化H2O2中表现出良好的活性和稳定性。(2)微波与催化剂之间的相互作用可以导致能量导向地到催化剂的反应位点上,这在催化剂周围产生热或放电效应,反应温度有利于活性自由基的产生和扩散,分子碰撞的几率大大提高。作为半导体,Cu/SiC可以在微波辐射下加速电子(e-)的分离,显著提高催化剂的催化能力。上述因素的联合作用可以促进苯酚的降解。(3)·OH的产生是由于Cu(I)/Cu(II)之间的氧化还原循环,而·OH是导致H2O2系统中苯酚降解的活性物质;过硫酸盐体系中·SO4-的形成是由Cu(II)/Cu(III)转化和热活化共同作用的结果。苯酚被·SO4-氧化,最有可能发生在邻位,并且由于两个相邻的OH组之间的分子内H键形成了热力学上更稳定的儿茶酚。(4)Cu:Fe比为1:1的Cu/Fe/SiC 1对苯酚的降解和矿化活性最高,催化剂由Fe(III)和Cu(II)的氧化物组成,但Fe(II)和Cu(I)是过硫酸盐活化的主要活性物质,通过Fe-Cu复合催化剂在过硫酸盐氧化系统里形成一种氧化还原体系,一方面,通过从Cu和Fe的氧化反应产生电子参与到自由基的生成,同时Fe和Cu通过形成原电池体系可以促进Cu(II)的还原,与H2O2类似,Cu(II)/Cu(I)之间的铜氧化还原是影响苯酚降解的主要因素,也基于此,在Fe/Cu基还原体系中,Cu的浓度可以保持相对较低水平的平衡状态。
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