基于微孔矿物吸附和微波诱导降解耦合去除水体中氯酚类化合物

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氯酚化合物是水体中普遍存在的一种污染物,其对地表水和地下水的污染严重危害了环境和人体健康。由于氯酚可以抑制微生物群落的正常活动,引起水生生物的死亡,对动物具有致癌风险,以及甚至在相对低的浓度条件下对生物体就具有毒性,美国国家环境保护局和欧盟已经将氯酚规定为优先控制污染物。美国、欧盟、中国和世界卫生组织均针对氯酚制定了严格的饮用水标准。尽管已经开发了各种各样的技术去除水介质中的氯酚,但由于化学方法耗能、处理成本高和容易产生二次污染;生物处理耗费时间和水体中氯酚浓度高时它的应用会受氯酚毒性的限制;高级氧化技术的要求过高,例如需要高温和/或者高压,需要大量的试剂,和/或者需要复杂的设备,而吸附处理成本低、设计简单、操作方便、处理效率高(中低浓度)、对有毒物质不敏感以及稀溶液中的氯酚几乎可以完全被去除,因而吸附是去除水体中氯酚的一项很有前景的技术。  吸附去除技术的成功很大程度上取决于有效吸附剂的开发。在众多的吸附剂中,活性炭是应用的最多的一种吸附剂,它的多孔的结构和较大的比表面积使得它对许多有机污染物具有很强的吸附性能。但是活性炭作为吸附剂也有一些不足之处,如成本高、吸附选择性差、机械强度不够,以及再生技术昂贵难度高等。相比之下,微孔矿物沸石作为吸附剂却有许多潜在的优势,包括成本低、全球适用、机械强度好、热稳定性高和吸附能力强,另外,沸石再生也很容易并且再生后初始性质得到了保留以便循环利用。此外,沸石具有一些珍贵的物理化学性质,其中包括阳离子交换、分子筛作用、分子大小的孔隙、定义明确的孔隙结构、较大的比表面积和表面疏水性。综上所述,沸石在众多的吸附剂中展现了最高的潜能。  本研究以氯酚为模型污染物,选择微孔矿物材料作为氯酚吸附和微波诱导降解的载体,建立了一种基于微孔矿物吸附和微波诱导降解耦合去除水体中氯酚的新型处理方法。  本研究以2-氯酚(2-CP),2,4-二氯酚(2,4-DCP),和2,4,6-三氯酚(2,4,6-TCP)为模型污染物,脱铝沸石(CBV-400,CBV-720,CBV-760,CBV-780,和CBV-3024E)为模型微孔矿物,研究了这3种氯酚化合物在脱铝沸石上的吸附行为,以便理解它们在微孔矿物上的吸附机制,并研究了常见的金属阳离子、溶液pH和腐殖酸的影响。氯酚在脱铝Y型沸石上的吸附随着吸附质的疏水性和微孔矿物的疏水性的增强而增加,表明了疏水相互作用在吸附过程中的重要性。氯酚在孔径较窄的微孔中的吸附更强,这是因为孔径越窄,色散相互作用提高的越多。金属阳离子的存在可以促进氯酚在脱铝Y型沸石上的吸附,这是由于交换进矿物微孔中的金属阳离子与氯酚盐阴离子之间的额外的静电相互作用,而且这种影响对微孔中表面阳离子密度(2.62 sites/nm2)较高的矿物吸附剂更明显。中性或酸性条件下中性氯酚分子通过取代游离态水分子吸附在疏水性微孔中,而在适当的碱性条件下沸石对氯酚的吸附可以忽略不计,这是因为碱性条件下氯酚离解为氯酚盐阴离子,带负电荷的沸石骨架和氯酚盐阴离子之间存在静电斥力。腐殖酸对氯酚在脱铝Y型沸石上吸附的影响表明,腐殖酸分子不会堵塞微孔但会在沸石的外表面形成覆盖层产生二次吸附位点。这些机理研究可以帮助我们更好地理解可电离的氯酚和矿物微孔中金属阳离子之间的相互作用,引导选择和设计可重复使用的微孔矿物吸附剂以便吸附去除水体中的氯酚。  微孔材料的孔径大小和表面阳离子密度对氯酚的微波诱导降解具有重要的影响。具有合适的孔径大小和较高表面阳离子密度的微孔矿物,展示出较快的微波诱导氯酚降解速率。微波输出功率和氯酚本身的性质对微波诱导降解氯酚也有显著的影响。微波能量越高或氯酚的极性越强,吸附在微孔中的氯酚降解越快。这可能是因为孔壁表面形成的“热点”的密度增加以及形成的“热点”的温度上升,从而导致氯酚热分解的速率加快。
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