MoS2复合材料的制备及其用于废水中有机污染物的去除研究

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酚类化合物和染料是印染废水中的主要有机污染物,多数酚类化合物具有含量高、毒性大等特点,印染废水具有COD含量高、透光度低等特点。根据酚类和印染废水的特点,可知单一的处理方法难以将有机废水中的有机污染物去除完全。本文以光催化和类Fenton氧化技术结合可以提高废水中酚类等有机污染物降解效率,该方法具有安全、简单、效率高等特点,且催化剂不能造成二次污染。本论文研究制备了 MoS2及其MoS2复合材料并对苯酚、邻苯二酚、亚甲基蓝、甲基橙和罗丹明B的去除进行了研究,主要实验研究结果如下:(1)采用溶剂热法合成不同形貌的MoS2材料,同时研究反应温度、原料配比和不同稳定剂对产物的性能的影响。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、XPS等手段表征分析结构形貌特征。结果显示其形貌为规则的片层状构架,此结构是由许多纳米片相互堆叠和互交形成,粒径分布均一。以苯酚水溶液为模拟废水,MoS2/PVP催化剂在H2O2和可见光存在条件下,研究了苯酚溶液初始pH值、催化剂浓度、反应温度和苯酚浓度对催化降解苯酚的影响,确定降解苯酚模拟废水的最佳条件:pH = 8.0、催化剂浓度为1.5 g/L和反应温度40℃对苯酚的降解率为98.7%,COD去除率达到65%。且得出苯酚模拟废水降解过程的动力学遵循一级反应动力学。通过对比在可见光和H2O2同时存在或单独H2O2存在条件下催化降解苯酚,在使用光照和H2O2同时存在的条件下的降解速率为0.0612 min-1,是在H2O2存在条件下类-Fenton的降解速率(0.01875 min-1)的3.26倍,说明光照对降解有很大影响;同时MoS2催化剂在降解过程中表现出良好的稳定性。(2)通过原位生长的方法,在不同温度下将MoS2纳米片生长在Fe304颗粒表面制备Fe3O4@MoS2核-壳复合材料,通过SEM、TEM、XRD、BET和VSM分析方法进行了表征,表征结果显示在反应温度180℃时MoS2纳米片较为均匀的负载在Fe3O4颗粒表面,且比表面积为114.2m2/g。较Fe304磁化强度值有所减少。选择邻苯二酚为降解目标物,研究结果表明:在H2O2浓度10.0mmol/L,催化剂投加量1.0g/L,邻苯二酚浓度为50mg/L,pH = 7.2的操作条件下,邻苯二酚废水的去除率和COD去除分别能达到99%和90%,邻苯二酚降解过程遵循一级反应动力学。在光照和H2O2同时存在的条件下降解速率较单独H2O2和光照的降解速率快很多,其催化反应速率是它的光催化和Fenton氧化速率简单加和的2倍,说明在降解的过程中Fe3O4和MoS2具有协同增效作用。对于模拟邻苯二酚废水来说,催化剂重复使用对催化活性几乎没有影响,重复使用4次后,催化活性仅降低了 5%,说明Fe304@MoS2核-壳复合材料在降解过程中稳定性较好。(3)通过高温碳化方法,制备MoS2@C核-壳复合材料,通过扫描电镜、X射线衍射、比表面积和拉曼分析方法进行了表征,表征结果显示在反应温度850℃时炭纳米片较为均匀的包在MoS2纳米片表面,且比表面积为586 m2/g。处理碱性染料亚甲基蓝(MB)废水,结果表明:MoS2@C核-壳复合材料吸附亚甲基蓝较单独MoS2的吸附效果好。试验探究在吸附温度为45℃ pH值为近中性偏碱性和吸附剂浓度为1.75 g/L实验条件下,亚甲基蓝的去除率为99.7%。在不同吸附温度和吸附初始浓度的准二级动力学模型的相关系数R2>0.999,较准一级动力学模型能够很好地描述MoS2@C复合材料吸附MB过程。Dubinin-Radushkevch、Temkin和Langmuir模型可以更好的描述MB的吸附过程,Langmuir单分子层吸附量最大达到276.4 mg/L。根据Dubinin-Radushkevch模型计算吸附亚甲基蓝的吸附势能均值为3.53 kJ/mol,说明MoS2@C复合材料吸附MB过程为吸热反应,热力学分析知:实验在不同初始浓度、不同温度下MoS2@C复合材料吸附MB的ΔG的最大值为-1.77 kJ/mol,最小值为-12.77 kJ/mol,吸附热ΔH的范围1.24-6.81 kJ/mol,反应熵ΔS在9.55 kJ/(mo1.K)和46.71 kJ/(mo1.K)之间,吸附MB是一个自发混乱度增大的吸热过程。吸附MB机理可能包括:吸附剂表面、水分子和MB分子间的氢键作用力、静电吸附和偶极引力的共同作用。
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