掺氮碳纳米管负载Pd基催化剂对水体中2-氯酚和2,4-二氯酚的催化加氢脱氯

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氯酚是目前广泛存在于水环境中的一类有机污染物,由于其高毒性、难降解性,对自然环境和人体都具有极大的危害性,已引起了科学界的广泛关注和研究。液相催化加氢脱氯是一种化学还原法,在去除水环境中的氯酚方面具有高效、清洁的优势,并且在降解污染物的同时可以生成具有较高经济利用价值的产物,达到资源回收利用的目的。碳纳米管在热学、光学、电学、力学等方面具有独特的性质,已引起了广泛关注和研究,在催化科学领域也不例外。碳纳米管比表面积大、具有规则的孔道结构,化学性质稳定,而且可根据需要调节其表面性质(表面改性),因此可作为催化领域的理想载体。本文将以多壁碳纳米管为载体,对其进行纯化、掺氮改性后,采用浸渍法制备负载型Pd基催化剂。对催化剂进行了元素分析、透射电子显微镜(TEM)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)、X射线衍射仪(XRD)、氮气吸脱附(BET)、X射线光电子能谱仪(XPS)等表征,研究了催化剂材料的表观形貌和结构。以2-氯酚、2,4-二氯酚为特征污染物,研究了掺氮碳纳米管负载Pd基催化剂催化还原这两种污染物的反应活性和影响因素,并对2,4-二氯酚的脱氯反应过程进行了动力学研究。掺氮碳纳米管负载Pd基催化剂对水中的2-氯酚、2,4-二氯酚的催化加氢还原反应具有良好的可重复性,且反应均具有较高的催化活性。催化剂的催化反应活性受到掺杂的氮元素、氢还原温度、催化剂投加量、污染物初始浓度等因素的影响。氮元素的掺入使得催化剂表面的Pd粒子分散更加均匀,粒径更小,催化活性更高;较高的还原温度可使载体表面的含氧官能团得到更充分的还原,从而使得金属Pd的锚合位变少,Pd与载体表面的作用力变弱,催化剂反应活性更低;污染物的初始消耗速率随着催化剂投加量的增加而增大,但以催化剂投加量归一化后得到的反应初活性基本不变,表明在本文的实验条件下,2-CP、2,4-二氯酚的催化加氢脱氯反应基本不受催化剂传质阻力的影响;随着污染物的初始浓度的增加,反应初活性先增大,之后基本保持不变,说明反应由反应物在催化剂表面的吸附所控制。对2,4-二氯酚催化还原反应过程的动力学过程研究得出结论,掺氮的碳纳米管负载贵金属Pd后,催化反应速率得到明显提高。掺氮碳纳米管负载Pd基催化剂重复利用催化还原2,4-二氯酚的研究表明,催化剂使用三次后催化活性有所降低,但对2,4-DCP仍有较高的加氢脱氯活性。掺氮碳纳米管负载Pd基催化剂对2-氯酚和2,4-二氯酚的液相催化加氢还原反应均具有较高的催化活性,碳纳米管掺氮可优化催化条件、提高催化活性。
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