膨润土基铁铋氧体的制备、机械活化及其光Fenton催化性能研究

发布时间：2020-05-05 16:15

【摘要】：印染废水包含着许多潜在的致癌物质,具有毒性和诱变性,其颜色深,碱性大,生物降解性差,难降解,很难被传统的废水处理系统去除。能产生强氧化性的.OH的高级氧化法被证实是一种降解染料废水的有效方法,其中Fenton氧化法因其良好的效果而得到了显著的发展。但因均相Fenton法具有铁离子难回收再利用,同时还造成铁泥污染等不足而使其应用受限。为了克服这些不足,诸多学者将铁离子、铁氧化物等含铁的催化活性组分固载于载体上,合成与水不溶的异相芬顿催化剂,以解决催化剂难回收再利用等问题。铁铋氧体因其具有狭窄的能带隙而被认为是一种有效的可见光驱动光催化剂,而存在于它们中的铁元素也为将它们作为异相可见光助类Fenton催化剂提供了可能。本文以廉价易得的膨润土为载体,以铁铋氧体为含铁的催化活性组分,通过溶胶-凝胶法制备了膨润土基铁铋氧体异相可见光助类Fenton催化剂,以罗丹明B为目标染料污染物对其进行催化降解,以相应的去除率为主要评价指标,确定膨润土基铁铋氧体催化剂的最优制备参数,最终得到最优的催化剂一一膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化剂,通过XRD、UV-Vis DRS、BET物理吸附、TEM、SEM、EDS和PL表征分析其具有高催化性能的内因,同时进一步调查其光Fenon催化特性并提出相应的光Fenton催化机理。此外,采用机械活化的方式对膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化剂进行机械活化改性,确定机械活化该催化剂的最佳工艺条件,并对最佳机械活化条件下活化的膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化剂进行光Fenton催化特性研究,通过XRD、UV-Vis DRS、TEM以及BET物理吸附表征手段阐述机械活化提高该催化剂光Fenton催化性能的关键内因所在。溶胶-凝胶法合成膨润土基铁铋氧体催化剂的最佳工艺条件为:MFe/MBi=1:1、MFe/mbent=5 mmol·g-1、焙烧温度为500℃,焙烧时间为2h。该催化剂中的铁铋氧体晶体相的组成受MFe/MBi、MFe/mbent、焙烧温度和焙烧时间的影响。在较低的MFe/MBi、MFe/mbent和焙烧温度,以及较短的焙烧时间下,Bi24Fe2O_39更容易形成,而在较高的MFe/mbent条件下则BiFeO_3更容易形成。由于铋元素的挥发性,过高的焙烧温度则不利于形成铁铋氧体。此外,在最佳工艺条件下合成的膨润土基铁铋氧体主要的结晶相为BiFeO_3和Bi_2Fe_4O_9,因此最佳催化剂记作膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化剂。无论是在可见光区域还是在紫外光区域,膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化剂几乎均展现出了最强的光吸收,此外,拥有高的比表面积与大孔体积也是其在所有膨润土基铁铋氧体催化剂中具有最高催化活性的原因。研究了膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9的催化特性及其在可见光的照射下催化光Fenton体系的机理。结果表明该催化剂由许多小颗粒聚集而成,呈现出绒毛状的聚集体以及鱼鳞状的表面,功能组份BiFeO_3和Bi_2Fe_4O_9以纳米量级的形式被成功负载在催化剂上。催化剂中的BiFeO_3与Bi_2Fe_4O_9之间的界面电荷转移有效地抑制了光生e-/h+对的复合,将Bi_2Fe_4O_9引入BiFeO_3可以有效地提高BiFeO_3材料的光催化活性。该催化剂在光Fenton过程中具有极好的可重复使用性和长期稳定性,在重复使用4次后仍能几乎保持其原有的催化活性,每次降解完溶液中总铁离子含量都小于0.4 mg·L-1。通过分析该催化剂在可见光下催化光Fenton体系的机理,提出了一个作用于BiFeO_3和Bi_2Fe_4O_9之间的被称为Z体系的机制。确定机械活化膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9的最佳工艺条件为:介质填充率30%，30 mL中球为研磨介质,活化频率为20 Hz,活化时间为30 min,球料比为30:0.5 mL·g-1。在可见光的照射下,机械活化膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化剂在光Fenton过程中具有极好的可重复使用性和长期稳定性,重复使用4次仍能几乎保持其原有的催化活性,每次降解完溶液中总铁离子含量都小于0.2mg·L-1。当罗丹明B几乎完全去除时,机械活化后膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9的反应用时比活化前的反应用时缩短了一半。机械活化过程中五个工艺条件的改变均会引起膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化剂中铁铋氧体结晶相的转变。五个最优值下机械活化得到的复合催化剂除了对紫外光与可见光均具有很强的光吸收能力外,还都具有小的颗粒尺寸与轻薄的颗粒结构,这也是它们呈现出高的光Fenton催化活性的原因。在过高频率或者过长时间的机械作用力下对膨润土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9进行机械活化会使催化剂过度粉末化,破坏催化剂孔道结构,使孔体积锐减,孔道崩垮,吸附和催化性能均大大下降;另外,大的大孔隙体积、比表面积和总孔体积也是造成这些最优值下机械活化得到的复合催化剂呈现出高的光Fenton催化活性的原因。
【图文】：

有较高的抗光性和抗氧化降解的能力。由于其稳定性和不挥发性，被认为是废水中常见逡逑的有机污染物，，其主要性质是致癌性、诱变性、生殖发育毒性等［１Ｕ２］。罗丹明Ｂ的分子逡逑结构如图１－２所示。逡逑２逡逑

图１－３邋ＢｉＦｅＣＭ吉构逡逑Ｆｉ．邋１－３邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＢｉＦｅ0３逡逑
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X791

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 陶长元;刘作华;杜军;刘仁龙;孙大贵;;减压膜蒸馏法分离偶氮染料废水的研究[J];膜科学与技术;2007年01期

2 陈建琴;;SDF絮凝剂的研制及在印染废水处理中的应用[J];工业安全与环保;2006年05期

本文编号：2650421