纳米铁基材料的制备及其催化降解有害污染物机理的研究

发布时间：2020-05-31 01:10

【摘要】：随着工业的发展,环境污染日益严重,水资源的安全也受到了严重威胁,对水环境污染的控制和处理已成为当前研究热点。基于活性自由基反应的高级氧化技术被广泛应用于水处理领域。铁基材料稳定性好且廉价易得,作为催化剂应用前景广阔。本文制备了5种不同形貌的纳米氧化铁,研究其催化降解盐酸四环素的过程及机理;利用化学气相沉积法制备了三维结构的Fe@GNS/GF复合材料,并对其结构进行表征,探讨了Fe@GNS/GF复合材料催化降解刚果红和甲基紫的过程。本论文主要内容如下:(1)采用沉淀法制备了5种不同形貌的纳米氧化铁,分别为片状、棒状、木瓜状、立方状、球状结构。利用扫描电子显微镜、X射线衍射、比表面积分析对5种不同相貌纳米氧化铁进行了表征。这5种纳米氧化铁尺寸均一、比表面积接近。以盐酸四环素为目标污染物研究其催化活性。自由基清除实验和ESR分析表明反应过程中羟基自由基和超氧自由基同时发挥氧化作用。研究表明:纳米氧化铁形貌是影响催化活性的关键因素之一。(2)以棒状纳米Fe_2O_3为催化剂,在Fe_2O_3/H_2O_2非均相芬顿体系下降解盐酸四环素,并考察了双氧水浓度、催化剂投加量、pH、反应温度对降解过程的影响。分析降解过程中间产物,推断出了盐酸四环素降解途径。动力学分析和热力学分析表明:降解过程符合二级动力学模型,反应活化能为53.37 kJ/mol。催化剂多次循环使用和铁离子渗出实验表明,催化剂具有良好的稳定性。(3)对5种不同相貌的纳米氧化铁光催化活性进行了研究,表明形貌影响纳米氧化铁的光催化活性。考察了底物浓度、pH对光催化过程的影响。分析降解过程中间产物,推断出了盐酸四环素光催化降解途径。动力学分析表明:光催化降解过程符合一级动力学模型。催化剂循环使用三次后活性有所降低。通过自由基清除实验和ESR分析表明:除空穴电子外,羟基自由基和超氧自由基在光催化反应过程中也发挥了氧化作用。(4)采用化学气相沉积法制备了三维结构的Fe@GNS/GF复合材料,并使用XRD、FESEM、XPS、BET对复合材料进行了表征。以刚果红和甲基紫为目标污染物,研究了复合材料的吸附和催化性能。使用Fe@GNS/GF复合材料,通过吸附和催化降解联合处理模拟有机废水,模拟废水COD值由590 mg/L降至12 mg/L。Fe@GNS/GF复合材料对刚果红和甲基紫的饱和吸附量分别为177 mg/g、142 mg/g。使用一级动力学模型对降解过程进行分析,得到一级速率常数分别为0.0563和0.0464 min~(-1)。5次循环实验表明,复合材料吸附和催化有可循环性和稳定性。
【图文】：

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图 1-1 半导体光催化机理示意图 Schematic diagram of semiconductor photocatalytic m剂受到不小于 Eg 的光照射时，处于其上的价带电（h+），在半导体中产生具有高活性的光生电子-空所产生的光生电子-空穴对会发生迁移。一部分光迁移过程中发生复合，以光或热的形式放出热量；化材料表面并与吸附在上面的物质发生反应。光料表面的 O2、H2O 等发生氧化还原反应生成活性自较高活性，能氧化体系中的有机物。降解有机污染物而言，空穴电子 h+或由光生电子-合 H2O、OH-产生的羟基自由基均具有氧化活性，、无机盐等。值得一提的是，目前对于半导体光催议。科研工作者在半导体光催化的研究中发现，空

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第二章纳米氧化铁的形貌可控性及催化性能研究( )222 2 2 2TiO H O TiO H O+++ → （2-3）该络合物具有稳定的吸收峰，吸收峰强度与双氧水浓度呈正相关，通过测定该络合物吸光度，可以计算得到双氧水浓度。经过光谱扫描，确定在 400nm 处测定吸收波长。通过测定不同时刻双氧水吸光度的变化，可以得到其浓度随时间的变化。为了确定双氧水浓度，分别配置 5、10、15、20、25、30、35、40 mg/L 双氧水溶液，加入 1 mol/L 硫酸溶液和 3 mmol/L 硫酸钛溶液，反应 15 min 后，在波长为 400 nm处分别测其吸光度，得到双氧水的标准曲线。如图 2-1 所示，所得标准曲线相关系数为0.999。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X505;O643.36

【参考文献】