【摘 要】
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高级氧化技术(AOPs)因其在处理水体中复杂和难生化降解有机污染物方面的优越表现而受到广泛关注。如今,AOPs随着实际应用的需求,已经由最初的芬顿(Fenton)反应逐步发展到与多种技术联用的类芬顿(Fenton-like)反应。但即便如此,AOPs目前仍存在较多限制其推广应用的因素,如催化剂p H适用范围窄、颗粒易于团聚、光电子转移效率低以及回收困难等。针对上述存在的问题,在本文研究中,我们通过
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高级氧化技术(AOPs)因其在处理水体中复杂和难生化降解有机污染物方面的优越表现而受到广泛关注。如今,AOPs随着实际应用的需求,已经由最初的芬顿(Fenton)反应逐步发展到与多种技术联用的类芬顿(Fenton-like)反应。但即便如此,AOPs目前仍存在较多限制其推广应用的因素,如催化剂p H适用范围窄、颗粒易于团聚、光电子转移效率低以及回收困难等。针对上述存在的问题,在本文研究中,我们通过磁性复合、异质构建和载体分散等策略,合理设计了具有新颖结构的磁性纳米复合型催化剂,其在微观尺度的异质耦合促进了光生电子的分离和自由基的产生,显著提高了其对有机污染物的降解能力。且该类复合型催化剂p H适用范围较宽,使用过程中可非常容易实现磁性回收再利用,具有广阔的实际应用前景。本论文的研究内容主要概括为以下两个部分:(1)采用单一FeCl3铁源、一步水热法合成了Fe3O4/α-Fe OOH复合型纳米催化剂,并通过改变还原剂用量有效调节内部两种物相的比例。该催化剂内复合了磁性Fe3O4颗粒,在使用后可以通过磁力进行回收再利用,显著降低实际应用成本。复合型催化剂具有较高的比表面积、丰富的介孔、显著提升的可见光吸收性能和光生电子转移速率,这赋予了其优越的有机污染物降解能力。实验数据显示,在中性溶液条件下,催化剂可以在90 min内降解99.9%的盐酸四环素(TC);且在p H=5-9范围内降解率保持在95%以上。机理研究显示,催化剂的优越降解能力得益于初期对TC的有效吸附、过程中较高的光生电子分离和转移效率,以及起关键降解作用的超氧基自由基的快速产生。降解过程显示,有机污染物TC的催化分解主要通过脱氨、脱甲基和羟基化过程,逐步转化为小分子有机物,并最终实现矿化。(2)在该研究中,我们借助Fe@ZIF-8金属有机框架(MOFs)材料为模板,通过硫化过程制备了三元Fe3O4@Fe S2/C磁性纳米复合催化剂。该催化剂具有较高的比表面积以及丰富的石墨烯缺陷。在石墨烯化的无机碳框架结构中,Fe3O4和Fe S2通过微观耦合,显著提高了催化剂的催化降解能力;且处于纳米尺度的活性催化颗粒构陷在碳结构内得到良好的分散,有效抑制了颗粒间的聚集,有利于催化效率提高。有机物降解实验显示,该催化剂同时具有活化过氧单硫酸盐(PMS)和过氧化氢(H2O2)的能力,且采用其与PMS/H2O2的联用体系,可以在非常宽的p H范围内实现对有机物的快速降解。在采用罗丹明B为模型污染物的实验中,联用体系可以在p H=3-9的环境下适用,30 min可以完全去除污染物。此外,当该体系拓展至其他类型有机污染物时,均展现出超高的降解效率。机理研究揭示,PMS、H2O2及催化剂三者间存在显著的协同作用,可以有效促进多种氧化性自由基的快速产生。
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