Co-FeOOH催化臭氧氧化水中痕量有机污染物的研究

发布时间：2020-04-05 02:29

【摘要】：随着化工产业的发展以及人民生活水平的提高,水环境的污染状况趋于多元化,水体中频繁检出难降解的痕量有机污染物。由于常规处理工艺对水中痕量有机污染物的去除能力很弱,为提高水体中痕量有机物的去除效果,研究者们致力于研究高效的水处理工艺。本论文通过碱式沉淀法合成Co-FeOOH催化剂,通过傅里叶转换红外光谱分析(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)、比表面分析(BET)等方法对Co-FeOOH的物理结构、表面性质进行表征,并将其应用于催化臭氧氧化工艺中,考察Co-FeOOH催化臭氧氧化对水中痕量有机污染物的去除效能。通过考察Co-FeOOH合成过程中钴与铁的元素比、活化时间、活化温度对其催化活性的影响,最终确定Co-FeOOH的最佳制备条件如下:Co/Fe=0.13,活化温度为60℃,活化时间为48小时。通过对最佳制备条件下合成的Co-FeOOH进行表征发现,Co-FeOOH呈现均匀的纳米棒结构,其表面有丰富的羟基基团,实验中所制备的Co-Fe OOH的表面积、孔容、平均孔径分别为139.332 m~2/g、0.236 cm~3/g、8.291 nm。此外,Co-FeOOH的零电荷点是7.82,催化剂表面的氧元素以化学吸附氧为主。选取硝基苯(NB)、阿替洛尔(ATL)为目标物,分别研究Co-FeOOH催化臭氧氧化对两种目标物的去除效能。实验对不同影响因素对Co-FeOOH催化臭氧氧化对硝基苯去除效能的影响进行了考察,结果显示,Co-FeOOH的加入可以明显提高臭氧氧化对NB和ATL的去除能力。在Co-FeOOH催化臭氧氧化硝基苯的过程中,水体中NB的去除率随着臭氧浓度以及催化剂投加量的增加而逐渐升高;当NB的初始浓度为100μg/L时,NB的去除率最高。水体中HCO_3~-对NB的去除有明显的抑制作用,其抑制作用随着HCO_3~-浓度的增加而增强。在Co-FeOOH催化臭氧氧化阿替洛尔的过程中,阿替洛尔的去除率与臭氧浓度、催化剂投加量呈正相关关系;当ATL的初始浓度为200μg/L时,ATL的去除率最高。此外,水体中HCO_3~-对ATL的去除起到一定的促进作用,这可能是因为水体中产生了大量的CO_3·~-。对Co-FeOOH催化臭氧氧化NB的机理进行探讨。溶液pH值对Co-FeOOH催化臭氧氧化NB的影响结果显示,溶液pH值为9时,单独臭氧氧化和催化臭氧氧化对NB的去除率最高;而当溶液的pH值为6.86时,催化剂的催化效能最高。羟基抑制剂叔丁醇的加入明显降低了硝基苯的去除,说明NB的去除是羟基自由基的主导作用。另外,通过电子自旋共振法(ESR)和荧光光度法(FD)捕获反应体系中的羟基自由基,结果显示Co-FeOOH催化臭氧氧化体系中羟基自由基的生成量明显高于单独臭氧氧化体系。综合以上分析,Co-FeOOH催化臭氧氧化硝基苯的过程符合羟基自由基的反应机理。对Co-FeOOH催化臭氧氧化ATL的机理进行探讨。溶液pH值对ATL去除的影响结果显示,在碱性条件下时,单独臭氧氧化和催化臭氧氧化对ATL的去除率最高;当溶液的pH值为3.82时,催化剂表现出很高的催化活性,催化臭氧氧化对ATL的去除率较单独臭氧氧化提高了26.11%,但是在中性和碱性条件下时,由于此时单独臭氧氧化工艺对ATL的去除率已接近100%,此时催化剂并没有表现出很高的催化活性。加入叔丁醇之后,阿替洛尔的去除率有轻微的降低,间接说明Co-FeOOH催化臭氧氧化过程中ATL的降解并不是羟基自由基的主导作用。通过UPLC/MS/MS对ATL降解过程中的中间产物进行检测,并推测出可能的降解路径,结果发现ATL在降解过程主要中发生了羟基化、开环反应、侧链断裂以及侧链氧化。Co-FeOOH在使用过程中具有较高的催化稳定性,重复使用5次后该催化剂仍表现出很高的催化活性。Co-FeOOH在使用过程中有微量的铁离子和钴离子溶出,但是两种离子的溶出浓度都低于国标中的浓度限值,不会对水质产生影响。
【图文】：

实验反应装置图

谱图,谱图

-6 FeOOH (a)、CoOOH (b)、Co-FeOOH (c)的 SEM 谱图以及 Co-FeOOH 的 TEM(dFig.3-6 SEM images of and TEM images of catalysts
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X52

【参考文献】