铁饱和蒙脱土活化过一硫酸盐降解阿特拉津的研究

发布时间：2020-10-17 20:46

　　 高级氧化工艺(AOPs)在水环境难降解污染物领域表现出出色的降解能力。由于更强的氧化还原电位及高选择性,基于活化过一硫酸盐(HSO_5-,PMS)的硫酸根自由基(SO_4·~-)AOPs(SR-AOPs)受到越来越多的关注。各种铁(Fe)基催化剂由于其环境友好性和成本效率而被广泛用于PMS活化。然而,只适用于酸性pH值、Fe(III)与Fe(II)转换速率慢、铁离子泄漏量过高等问题限制了其广泛应用。将铁基催化剂固定到载体材料上,可以有效避免上述缺点。本实验以钠基蒙脱土(MMT)为载体材料,利用其离子交换性能,将三价铁离子负载到其表面及层间,得到铁饱和蒙脱土(Fe-MMT),将其作为PMS活化剂。通过表征发现,与MMT相比,Fe-MMT的具有更高的铁含量、更大的比表面积及孔容。此外,铁离子的引入改变了天然MMT的有序层间结构,Fe-MMT结构更为疏松,层间距扩大。考察了两种材料对目标污染物阿特拉津(ATZ)吸附性能及对PMS的活化性能,发现Fe-MMT不仅能够有效活化PMS降解ATZ,还能有效吸附ATZ。在吸附及催化过程中,Fe-MMT均表现出良好的可重复利用性能,同时伴随着极少量的铁离子泄露。Fe-MMT的吸附性能及催化性能受Fe-MMT投量、ATZ初始浓度及体系初始pH值影响较大。在0.1-1.0 mM范围内PMS投量对体系氧化效能没有显著影响。体系离子强度增大或部分无机阴离子的存在会导致Fe-MMT中吸附位点与催化位点减少,吸附及催化性能减弱。然而,氯离子(Cl-)与低浓度碳酸氢根离子(HCO_3-)的存在反而会显著增强ATZ的降解效率。天然大分子有机物腐殖酸对体系的吸附及氧化性能影响较小。天然水体背景条件下,Fe-MMT/PMS体系仍能有效降解ATZ,但是Fe-MMT的吸附性能大幅降低。Fe-MMT/PMS体系能够有效降解不同种类有机污染物,但是Fe-MMT只对部分有机污染物表现出吸附效果。最后,通过实验提出了Fe-MMT对ATZ的吸附机理以及对PMS的活化机理。Fe-MMT主要通过层间Fe~(3+)周围的水合水与ATZ形成氢键起到吸附作用。通过实验推断出,蒙脱土层间的电子加速转移机理加快Fe~(3+)与Fe~(2+)间的循环再生,从而活化PMS产生硫酸根自由基与羟基自由基降解ATZ。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X592
【部分图文】：

本实验利用蒙脱土的阳离子交换特性，以钠基蒙脱土为原料，通过将其在FeCl3.6H2O 溶液中反复溶胀，使 Fe3+取代 Na+的电位点，制备出 Fe-MMT。该制备方法具有操作简单、成本低廉、节约能耗、对环境友好等特点。为了确定材料的物理化学性质并且判断是否成功改性，通过一系列的分析手段对 MMT及 Fe-MMT 进行表征。分别通过 SEM、mapping、小角 XRD、广角 XRD、FIRT、Malvern Zetasizer、XPS、BET 这 8 种检测手段，对两种材料微观形态、元素组成、片层间距、晶型结构、官能团信息、Zeta 电位、铁离子价态等进行对比分析。3.2 蒙脱土的表征3.2.1 铁饱和蒙脱土的微观形貌特征采用扫描电子显微镜（SEM）观测改性前后蒙脱土的表面形态，MMT 及Fe-MMT 两种材料的 SEM 图见图 3-1。a） b）

图 3-2 MMT 及 Fe-MMT 能谱图a) MMT 全谱图 b) Fe-MMT 全谱图c) MMT EDS 分层图像 d) Fe-MMT EDS 分层图像e) MMT Fe 元素分布 f) Fe-MMT Fe 元素分布g) MMT O 元素分布 h) Fe-MMT O 元素分布改性前 MMT主要由以下元素组成：O(63.3%)，Si(35.5%)，Fe(0%)和 Al(0.9%):O:Al:Fe 的相对原子比约等于 1.00:1.80:0.02:0.00。Fe-MMT 主要由以下主要元素成：O(44.78%)，Si(15.48%)，Fe(22.25%)和 Al(6.92%)，Si:O:Al:Fe 的相对原子约等于 1.00:2.90:0.40:1.40。Fe-MMT 显示出相当大的 Fe 含量，可以在 PMS 活化及有机污染物吸附过程发挥重要作用。此外，Fe 具有分别以约 0.7、6.4 和 7.1 keV 为中心的三个峰。-MMT 中的元素含量与 Wu等人[107]报道的大致相同。改性前 MMT中铁元素含量为 0.00%，说明 MMT 表面 Fe3+含量极低，几乎不被检出。而改性后铁元素含量上升为 11.8%，增加显著。同时由 Fe-MMT 中元分布可以看出，其表面小纺锤状颗粒主要由 Fe、O 两种元素组成，进一步证明该颗粒为铁（氢）氧化物。

图 3-3 MMT 及 Fe-MMT 的扫描电子显微镜图a) MMT b) Fe-MMT3.2.4 小角 XRD 分析采用 0-10 °的小角衍射 XRD 对改性前后铁蒙脱土进行表征，通过小角 XRD衍射得到的特征峰值可以确定蒙脱土晶层间距。改性前后蒙脱土的小角 XRD 谱图如图 3-4 所示。MMTFe-MMTntenIitysa.(u).
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本文编号：2845300