镍钴双金属氧化物纳米片活化过硫酸盐降解有机污染物

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jill818
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过硫酸盐(PS)高级氧化技术具有降解效率高、反应速度快、p H适用范围广等优势,在废水处理领域受到广泛关注。在众多PS活化方法中,基于过渡金属氧化物的非均相催化剂活化效率较高,且无需外加能量,具有良好的应用前景。与单一金属氧化物催化剂相比,多金属氧化物对PS的活化效率及材料本身的稳定性均有显著提高。因此,本研究制备了镍钴双金属氧化物纳米片(Ni-Co BO)催化剂,并应用于过二硫酸盐(PDS)活化降解水中有机污染物。通过调控热解温度及钴镍比例,优化了Ni-Co BO的催化性能,探究了反应的活性物种,解析了Ni-Co BO催化剂活化PDS降解有机污染物双酚A(BPA)的反应机理,考察了催化剂在使用过程中的环境适应性。本论文旨在设计制备一种对PDS活化性能高,环境适应性强的二维双金属氧化物纳米片材料,对PS活化非均相催化剂的研发提供新的思路。本论文的主要研究内容及结果如下:1.采用水热法合成了不同比例镍钴双氢氧化物前驱体,将其热解后得到Ni-Co BO催化剂,并对催化剂的性质进行表征。扫描电子显微镜(SEM)结果显示Ni-Co BO的微观形貌为规整的六边形纳米片结构;比表面积(BET)分析结果表明,所制备的材料比表面积较大,孔隙结构以介孔为主。电感耦合等离子光谱(ICP-OES)和X-射线光电子能谱(XPS)结果表明,所制备的催化剂具有不同镍钴比例。X-射线衍射(XRD)结果表明,随着镍钴比例的增加,材料逐渐从以Ni Co2O4晶相为主转变到以Ni O晶相为主。2.探究了热解温度(250、300、400、500oC)和镍钴比例(0.2:1、0.25:1、0.5:1、1:1、1.5:1、2:1、3:1、4:1、6:1)对Ni-Co BO催化性能的影响。结果表明,当热解温度为250oC时,前驱体中的油胺未完全分解,所得的材料催化性能较差,而在300-500oC之间,材料的催化活性随热解温度上升而下降,最佳的热解温度为300oC,BPA在20 min内可以被完全降解。材料催化活性随镍钴比例的增加呈现先上升后下降的趋势,Ni:Co(1.5:1)催化剂对BPA的降解效率最高,一级动力学反应速率常数为0.23 min-1。3.研究了Ni:Co(1.5:1)活化PDS降解BPA污染物的反应机理。自由基淬灭实验、电子顺磁共振(EPR)及电化学分析表明Ni-Co BO主要通过非自由基路径活化PDS,催化剂与PDS结合形成活性络合物,以吸电子方式将污染物氧化降解。4.考察了环境因素(温度、p H、背景离子、天然有机质)对Ni-Co BO活化PDS降解污染物的影响,评估了Ni:Co(1.5:1)/PDS体系对不同污染物以及实际包装废水的降解效果。结果表明,Ni:Co(1.5:1)在p H为5.5-9条件下具有较好的催化活性;提高体系的反应温度,可有效加快BPA的降解速率,反应的活化能为24.69 k J/mol;Cl-和NO3-对BPA的降解无显著影响,低浓度(1 m M)的HCO3-和腐殖酸对BPA的降解无显著影响,高浓度(5-10 m M)的HCO3-和腐殖酸对BPA的降解有一定的抑制;Ni:Co(1.5:1)对富含电子的污染物(BPA,对氯苯酚,苯酚等)的降解效果较好;Ni:Co(1.5:1)对实际包装废水有良好的脱色效果,能使其从黑色变为澄清透明,并在反应6小时后去除废水中28.28%的总有机碳。5.评估了Ni-Co BO催化剂的可重复使用性和稳定性。反应前后的材料微观形貌保持不变;第二次循环使用时BPA的降解效率下降至67.03%,可能是催化剂表面活性位点被降解中间产物覆盖所致;通过热解再生后催化活性可恢复至100%。
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