光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的研究

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本论文采用水热法合成了ZnFe2O4和CuBi2O4,通过负载碳材料(活性炭AC、石墨烯rGO、氮杂石墨烯NG、富勒烯C60)制备得到系列复合催化剂ZnFe2O4/AC、ZnFe2O4/NG、ZnFe2O4/rGO、ZnFe2O4/C60和CuBi2O4/AC、CuBi2O4/NG、CuBi2O4/rGO和CuBi2O4/C60。在白光辐射下考察了不同参数对光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的影响,探讨了光催化反应机理。其具体内容如下:第一、采用水热法合成ZnFe2O4/AC复合催化剂,并利用X-射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)、紫外可见反射光谱(UV-VIS-DRS)等方法对催化剂的结构与性质进行了表征。考察了pH、催化剂用量、AC含量、氨氮初始浓度等对光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的影响。结果表明,在厌氧条件下,当pH=9.5、催化剂用量1.5 g/L、氨氮初始浓度为100 mg/L、光照3 h时,纯铁酸锌光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的脱去率分别为81.2%、54.7%。在类似条件下,ZnFe2O4/AC(7%)对亚硝态氮与氨氮的脱去率分别达到93.6%、64.7%。向此溶液曝气30 min,继续光照10 h后,亚硝态氮、氨氮和总氮的脱去率分别达到92.3%、90.2%和90.9%。第二、采用水热法合成ZnFe2O4/rGO、ZnFe2O4/NG复合催化剂,并利用XRD、TEM、Raman、UV-VIS-DRS等对催化剂的结构与性质进行了表征。考察了pH、催化剂用量、rGO含量、NG含量、氨氮初始浓度等对光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的影响。结果表明,在厌氧条件下,当pH=9.5、催化剂用量1.5 g/L、氨氮初始浓度为100 mg/L、光照3 h时,纯的铁酸锌光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的脱去率分别为81.2%、54.7%。在类似条件下,ZnFe2O4/rGO(3%)对亚硝态氮与氨氮的脱去率分别达到89.6%、58.4%。为了实现完全脱氮,随后将溶液曝气30 min,继续光照10 h后,亚硝态氮、氨氮和总氮的脱去率分别达到91.3%、89.2%和89.9%。ZnFe2O4/NG的光催化脱氮最佳条件为pH=9.5、催化剂用量1.5 g/L、NG负载量为5%、氨氮初始浓度为100 mg/L、光照3 h,亚硝态氮与氨氮的脱去率分别达到90.9%、62.8%。为了实现完全脱氮,向溶液曝气30 min,继续光照10 h后,亚硝态氮、氨氮和总氮的脱去率分别达到92.0%、89.4%和90.3%。第三、采用水热法合成ZnFe2O4/C60复合催化剂,并利用XRD、TEM、Raman、UV-VIS-DRS等对催化剂的结构与性质进行了表征。考察了pH、催化剂用量、C60含量、氨氮初始浓度等对光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的影响。结果表明,在厌氧条件下,当pH=9.5、催化剂用量1.5 g/L、氨氮初始浓度为100 mg/L、光照3 h时,纯的铁酸锌光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的脱去率分别为81.2%、54.7%。在类似条件下,ZnFe2O4/C60(5%)对亚硝态氮与氨氮的脱去率分别达到90.9%、61.9%。为了实现完全脱氮,向溶液曝气30 min,继续光照10 h后,亚硝态氮、氨氮和总氮的脱去率分别达到91.8%、87.4%和88.8%。第四、采用水热法合成CuBi2O4/AC复合催化剂,并利用XRD、TEM、Raman、UV-VIS-DRS等对催化剂的结构与性质进行了表征。考察了pH、催化剂用量、AC含量、氨氮初始浓度等对光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的影响。结果表明,在厌氧条件下,当pH=9.5、催化剂用量1.5 g/L、氨氮初始浓度为100 mg/L、光照5 h时,纯的CuBi2O4光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的脱去率分别为75.5%、53.8%。在类似条件下,CuBi2O4/AC(5%)对亚硝态氮与氨氮的脱去率分别达到91.6%、62.8%。为了实现完全脱氮,向溶液曝气30 min,继续光照8 h后,亚硝态氮、氨氮和总氮的脱去率分别达到92.1%、87.8%和89.2%。第五、采用水热法合成CuBi2O4/rGO、CuBi2O4/NG复合催化剂,并利用XRD、TEM、Raman、UV-VIS-DRS等对催化剂的结构与性质进行了表征。考察了pH、催化剂用量、rGO含量、NG含量、氨氮初始浓度等对光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的影响。结果表明,在厌氧条件下,当pH=9.5、催化剂用量1.5 g/L、氨氮初始浓度为100 mg/L、光照5 h时,纯的CuBi2O4光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的脱去率分别为75.5%、53.8%。在类似条件下,CuBi2O4/rGO(3%)对亚硝态氮与氨氮的脱去率达到89.9%,60.4%。为了实现完全脱氮,向溶液曝气30 min,继续光照8 h后,亚硝态氮、氨氮和总氮的脱去率分别达到90.3%、84.6%和86.5%。CuBi2O4/NG的光催化脱氮最佳条件为pH=9.5、催化剂用量1.5 g/L、NG负载量为5%、氨氮初始浓度为100 mg/L、光照5 h,亚硝态氮与氨氮的脱去率分别为90.4%、60.2%。为了实现完全脱氮,向溶液曝气30 min,继续光照8 h后,亚硝态氮、氨氮和总氮的脱去率分别达到90.9%、85.8%和87.5%。第六、采用水热法合成CuBi2O4/C60复合催化剂,并利用XRD、TEM、Raman、UV-VIS-DRS等对催化剂的结构与性质进行了表征。考察了pH、催化剂用量、C60含量、氨氮初始浓度等对光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的影响。结果表明,在厌氧条件下,当pH=9.5、催化剂用量1.5 g/L、氨氮初始浓度为100 mg/L、光照5 h时,纯CuBi2O4光催化同时脱除亚硝态氮与氨氮的脱去率分别为75.5%、53.8%。在类似条件下,CuBi2O4/C60(5%)对亚硝态氮与氨氮的脱去率达到89.6%、55.4%。为了实现完全脱氮,向溶液曝气30 min,继续光照8 h后,亚硝态氮、氨氮和总氮的脱去率分别达到90.1%、82.3%和84.9%。第七、本论文选择用碳材料(rGO、NG、AC、C60)对催化剂进行改性,改性后复合催化剂的光催化活性大小为ZnFe2O4/AC>ZnFe2O4/NG>ZnFe2O4/rGO>ZnFe2O4/C60。铋酸铜系列则为CuBi2O4/AC>CuBi2O4/NG>CuBi2O4/rGO>CuBi2O4/C60。在同一系列催化剂中,负载AC的催化活性最高,可能由于AC比表面积较大,对反应物的吸附能力强,光催化活性高。
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