MoS2/Bernalite非均相类芬顿催化剂降解印染废水的研究

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近年来,印染废水一直被认为是污染最严重的工业废水之一,废水中的染料即使浓度很低,但也可能是有毒的、致癌的、诱变的或者是致畸的,因此,对印染废水的处理具有重要意义。非均相类芬顿体系在印染废水处理中受到越来越多的关注,但非均相类芬顿反应中Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)氧化还原循环仍较缓慢,采用金属硫化物作为助催化剂可以大大加速Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)氧化还原循环,促进·OH的产生,显著提高H2O2的利用率。本文首先通过沉淀法和水热法分别合成了铁基材料纳伯尔矿(Bernalite,Bn)和二硫化钼(MoS2),接着通过共混法将两者复合在一起,成功地合成了一种MoS2/Bn非均相类芬顿催化剂用于印染废水脱色。在此基础上,为了降低H2O2投加量,通过引入可见光构建了光催化协同MoS2/Bn非均相类芬顿催化体系。
  首先,合成了MoS2/Bn非均相类芬顿催化剂,通过XRD、XPS、SEM等表征手段研究了MoS2/Bn的结构和形貌等,成功的将片层MoS2和块状Bn复合在一起,表面元素为Fe、Mo、S、O等。研究了MoS2/Bn非均相类芬顿催化剂对模拟印染废水的脱色性能,在室温下,MoS2/Bn-4非均相类芬顿催化体系在30min内可以去除模拟印染废水中的97%以上的染料,并且可以在pH值为3-10的范围内有效的对模拟印染废水脱色,连续进行5次循环降解后仍能保持较高的催化活性。最佳的脱色工艺条件为:H2O2的浓度为100mmol·L-1,催化剂的投加量为1g·L-1,pH值为6.0。探究了催化体系中阴离子的存在对脱色率的影响,发现Cl-和NO3-对脱色率影响较小,而CO32-和PO43-对脱色率有一定的抑制作用。此外,通过自由基猝灭实验证实了·OH在非均相类芬顿催化体系起主要的作用,而超氧自由基(·O2-)和单线态氧(1O2)起次要的作用。
  为了降低H2O2的投加量,通过构建光催化协同MoS2/Bn-4非均相类芬顿催化体系将光催化技术与非均相类芬顿工艺相结合来对印染废水脱色。通过DRS等表征手段研究了其光吸收特性,MoS2/Bn-4在可见光区域显示出较强的光吸收。通过对模拟印染废水的脱色研究,单独光催化体系中30min内可以去除模拟印染废水中的50%左右的染料,并且可以在pH值3-10的范围内有效的对模拟印染废水脱色,连续进行5次循环降解后仍能保持较高的催化活性。与MoS2/Bn-4非均相类芬顿催化体系相比,当构建光催化协同MoS2/Bn-4非均相类芬顿催化体系时,可以将H2O2的投加量缩减到原来1/10,并在30min内去除模拟印染废水中98%以上的染料,节约了H2O2成本,同时CO32-和PO43-对脱色率的抑制作用减弱。提出了光催化协同MoS2/Bn非均相类芬顿催化体系中的反应机理,可见光的引入不仅再次加速了Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)之间的循环,还产生更多的空穴(h+)来降解染料;通过自由基猝灭实验证明了在光催化协同MoS2/Bn非均相类芬顿降解模拟印染废水的过程中,活性自由基所起作用依次为·OH>h+>1O2>·O2-。建立了对印染废水脱色的动态反应体系,在光催化协同非均相类芬顿体系下动态循环170min后对模拟印染废水中染料的去除率可达到97%。
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