改性石墨烯复合二氧化锰催化臭氧氧化头孢氨苄

发布时间：2020-07-12 15:58

【摘要】：抗生素在制造和使用过程中进入水体环境中,因其生物毒性、生物难降解性而对水体安全构成威胁。头孢类抗生素是使用量最大的抗生素,也是抗生素废水中的典型污染物,对水生生物和人类健康十分有害。在本研究中,以典型的头孢类抗生素——头孢氨苄(CLX)为目标污染物,以二氧化锰为主催化剂、石墨烯为助催化剂,研究复合催化剂催化臭氧氧化去除头孢氨苄的效果,以期开发高效、稳定的催化臭氧氧化处理抗生素废水技术。水热温度和水热时间对二氧化锰的结晶度、形貌有影响,进而影响二氧化锰的催化性能。在140 ℃和12 h的优化条件下,二氧化锰的催化活性最好。当二氧化锰投加量为25 mg/L、臭氧浓度为0.12 mg/L和反应5min时,水中CLX的去除率达到39.1%,是臭氧氧化去除率的3.4倍。利用石墨烯提高催化剂的电子传递效率的性能,合成了复合二氧化锰—石墨烯催化剂(Mn02-GO)催化剂,优化了石墨烯的添加量。在石墨烯添加量为1%wt时,反应5 min后,Mn02-GO催化臭氧氧化降解CLX的效率为50.8%,达到MnO2催化氧化去除CLX效率的1.3倍,但是其催化稳定性不高。为了提高MnO2-GO的稳定性和活性,我们采用杂原子(氮)改性和氨基改性两种方法,进一步优化催化剂设计。氮原子改性能够提高Mn02-NGO的催化效果,反应5 min后,Mn02-NGO催化臭氧氧化降解CLX的效率为57.9%,但是不能够提高Mn02-NGO的稳定性,其原因可能是石墨烯表面的氮原子和金属氧化物的金属原子无法形成稳定的化学键,宏观上无法加强石墨烯和二氧化锰的结合力。氨基改性能够提高MnO2-NH2-GO的催化效果,反应5min后,MnO2-NH2-GO催化臭氧氧化降解CLX的效率为55.5%,同时还能提高Mn02-NH2-GO的稳定性,即使反复使用了 5次,MnO2-NH2-GO催化剂对CLX的催化降解效果只有微小的变化。Mn02-NH2-GO中的二氧化锰与石墨烯结合紧密,反复使用后,二者未见明显的剥离现象。自由基猝灭实验表明,MnO2-NH2-GO催化臭氧氧化CLX过程中,超氧自由基起主导作用。根据磷酸根能够和臭氧分子竞争吸附在催化剂表面酸性位点上的原理,向反应体系投加了磷酸根,导致CLX的降解效率下降38%,证明了Mn02-NH2-GO的催化活性位点为其表面酸性位。催化臭氧氧化反应后,MnO2-NH2-GO表面的锰元素价态发生变化,Mn3+/Mn4+减小,Mn3+失去的电子,电子通过二氧化锰和石墨烯传递到吸附在催化剂表面的臭氧分子,并与臭氧反应产生超氧自由基,降解CLX。研究表明,在降解水中CLX时,复合催化剂的效率Mn02-GO优于MnO2,氮原子改性催化剂Mn02-NGO能够提高催化效率,但是不能提高催化剂的稳定性,而氨基改性的复合催化剂Mn02-NH2-GO同时显著提高催化效率和稳定性。Mn02-NH2-GO催化臭氧氧化能够高效降解水中的CLX,有望推广用于抗生素废水的处理。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

水排放和畜牧场废水排放是渭河四环素抗生素的主要来源［３４］。在长江三角洲、逡逑珠江三角洲、黄河三角洲及江汉平原、巢湖流域等区域地表水中也检出抗生素，逡逑其污染情况如图２．１所示，五个地区中，江汉平原地表水中的抗生素污染情况最逡逑严重，水中抗生素浓度达到８９４．６ｎｇ／Ｌ。逡逑５逡逑

里的农作物，其在根茎汲取土壤水分的同时，也会富集水中的抗生素，使农产品逡逑含有抗生素，这些农产品经过市场流通，通过食物链的传递，抗生素进入人体，逡逑对人体健康安全产生影响［４５］。抗生素在环境中的传播路径如图２．２所示。逡逑７逡逑

氧化的基础上，向反应体系引入固体催化剂，该催化剂能够和水中溶解的臭氧反逡逑应，加快臭氧分解，并引发自由基链式反应，生成大量氧化活性高的自由基，从逡逑而加快有机污染物氧化去除速率和提高有机物的矿化率。如图２．３所示，非均相逡逑催化臭氧氧化使用的固体催化剂至少要满足以下三个条件中的一项：逡逑（１）

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本文编号：2752185