新型铁基杂多化非均相类Fenton催化降解有机污染物

发布时间：2017-07-06 12:07

  本文关键词：新型铁基杂多化非均相类Fenton催化降解有机污染物

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【摘要】：氯酚类化合物是一类重要的有机合成中间体,其广泛应用于除草剂、杀虫剂和木材防腐剂等生产行业。含氯酚类化合物的废水具有毒性大、稳定性高、难生物降解和可能致癌等特点,对人体和环境造成严重的危害,因此研究水体中氯酚类化合物的处理技术具有十分重要的现实意义。本文研究两种新型铁基杂多化合物催化剂,并以此作为非均相类Fenton催化剂降解有机污染物。催化剂是在水溶液室温条件下制备,分别以氯化铁(Fe III)、天冬氨酸(Asp)和硅钨酸(Si W)为原料合成催化剂FeIIIAsp Si W,以二茂铁(Fc)和硅钨酸(SiW)为原料合成催化剂FcSiW,采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、热重分析(TG)、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)、X-射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FE-SEM)对催化剂Fe IIIAspSi W和FcSiW进行表征。据文献报道,大多数非均相类Fenton催化剂仅在酸性条件下(p H~3)表现出很好的催化活性,因此,这类催化剂在处理废水之前需要酸化废水,处理后还需将废水的p H值调至近中性,这些操作增加了该类催化剂处理工业废水的成本。为了节约成本,增加催化剂处理工业废水的可行性,本研究所制备的催化剂Fe IIIAsp Si W和Fc Si W在降解对氯苯酚(4-CP)时,溶液的pH值为近中性(pH 6.5),并且反应过程中没有调节溶液的p H值。实验结果表明,催化剂FeIIIAspSiW和FcSiW在近中性条件下降解4-CP表现出很好的催化活性,此外,研究还发现光照可以增强催化剂降解4-CP的催化活性。在最适宜反应条件下,经过2h的反应,催化剂Fe IIIAsp Si W在光照条件下可以移除溶液中88.6%的TOC,在暗态条件下可以移除40.7%的TOC;经过6 h的反应,催化剂FcSiW在光照条件下可以移除溶液中89.5%的TOC,在暗态条件下仅移除20.5%的TOC。这些实验数据还表明,催化剂FeIIIAspSiW和FcSi W在近中性条件下的催化活性远优于其它铁基催化剂,例如零价铁和氧化铁。尽管低的p H值可以增加催化剂降解4-CP的活性,但是不调节pH值直接降解4-CP这在实际废水处理过程中具有很大的应用前景。此外,初始H_2O_2的浓度、催化剂的量和温度也影响4-CP的降解。这两个催化剂在降解4-CP的过程中还表现出很好的稳定性和重复利用性,重复实验表明,催化剂在连续使用3次过程中活性没有明显下降。通过对照实验验证羟基自由基(~·OH)是催化剂降解4-CP的主要活性物种。本研究所合成的铁基杂多化合物催化剂的催化活性与催化剂中的铁离子和杂多阴离子相关。可能的催化机理是,催化剂中铁离子的类Fenton反应以及杂多酸阴离子的光催化作用这两者之间的协同作用。催化剂FeIIIAspSiW和FcSi W的催化活性还通过处理城市生活污水来评估。实验结果表明,催化剂在H_2O_2存在下,在处理城市生活污水过程中具有一定的催化活性。当城市生活污水的初始TOC值为21.2 mg L~(-1),H2O2浓度为20 mmol L~(-1),反应温度20°C,初始p H 3.0时,经过8 h的反应,0.2 g L~(-1)的FeIIIAsp Si W和0.1 g L~(-1)的Fc Si W分别移除废水中19.3%和17.0%的TOC。很显然,由于城市生活污水组成很复杂,所以催化剂FeIIIAsp Si W和Fc Si W在处理城市生活污水过程中表现出的催化活性低于在降解4-CP过程中的活性。这或许是因为城市生活污水中存在一些·OH的湮灭剂,例如Cl~-、PO_4~(3-)和CO_3~(2-),这些无机盐的存在可能很大程度上抑制城市生活污水中有机物的移除。因此,对于降解成分复杂的有机废水,仍需进行大量的研究从而提高催化剂FeIIIAspSiW和FcSiW的催化性能。
【关键词】：非均相类Fenton Fe~ⅢAspSiW催化剂 FcSiW催化剂 对氯苯酚 城市生活污水
【学位授予单位】：昌吉学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 水污染现状及处理技术11-12
• 1.1.1 水污染现状11
• 1.1.2 氯酚类废水的特点及危害11
• 1.1.3 工业废水处理技术11-12
• 1.2 高级氧化技术处理工业难降解废水的研究12-13
• 1.2.1 光化学氧化法12
• 1.2.2 电化学氧化法12-13
• 1.2.3 臭氧氧化法13
• 1.2.4 Fenton及类Fenton试剂法13
• 1.3 Fenton试剂法处理工业废水的研究现状13-15
• 1.3.1 Fenton试剂法的反应机理13-14
• 1.3.2 Fenton试剂法在废水处理中的应用14
• 1.3.3 Fenton试剂法存在的缺点及改进措施14-15
• 1.4 外加能量的均相类Fenton试剂法处理工业废水的研究15-16
• 1.4.1 光Fenton反应15
• 1.4.2 超声Fenton反应15
• 1.4.3 微波Fenton反应15-16
• 1.4.4 电Fenton反应16
• 1.5 非均相类Fenton试剂法处理工业废水的研究16-17
• 1.5.1 固载铁催化剂16
• 1.5.2 铁及其氧化物催化剂16-17
• 1.6 本课题研究目的、意义和主要内容17-18
• 1.6.1 本课题研究目的及意义17
• 1.6.2. 本课题研究的主要内容17-18
• 第二章 催化剂Fe~ⅢAspSiW的制备及性能研究18-36
• 2.1 引言18-19
• 2.2 实验试剂与仪器19-20
• 2.2.1 实验试剂19
• 2.2.2 实验仪器19-20
• 2.3 催化剂的制备和表征20-21
• 2.3.1 催化剂的制备方法20
• 2.3.2 催化剂的表征20-21
• 2.4 催化剂催化性能测试21-22
• 2.4.1 4-CP降解实验21
• 2.4.2 4-CP含量的测定21-22
• 2.5 催化剂表征结果与讨论22-25
• 2.6 不同因素的影响分析与讨论25-32
• 2.6.1 过氧化氢浓度对 4-CP降解的影响27-28
• 2.6.2 催化剂用量对 4-CP降解的影响28-29
• 2.6.3 初始pH值对 4-CP降解的影响29-31
• 2.6.4 底物浓度对 4-CP降解的影响31-32
• 2.7 催化机理32-34
• 2.8 本章小结34-36
• 第三章 FcSiW的制备及应用研究36-57
• 3.1 引言36-37
• 3.2 实验试剂与仪器37-38
• 3.2.1 实验试剂37-38
• 3.2.2 实验仪器38
• 3.3 催化剂的制备和表征38
• 3.3.1 催化剂的制备方法38
• 3.3.2 催化剂的表征38
• 3.4 催化剂催化性能测试38-39
• 3.4.1 4-CP降解实验38-39
• 3.4.2 4-CP含量的测定39
• 3.5 催化剂表征结果与讨论39-43
• 3.6 不同因素的影响分析与讨论43-53
• 3.6.1 过氧化氢浓度对 4-CP降解的影响46-47
• 3.6.2 催化剂用量对 4-CP降解的影响47-48
• 3.6.3 初始pH值对 4-CP降解的影响48-50
• 3.6.4 底物的浓度对 4-CP降解的影响50-51
• 3.6.5 反应温度对 4-CP降解的影响51-52
• 3.6.6 催化剂的重复使用性能研究52-53
• 3.7 反应机理53-55
• 3.8 本章小结55-57
• 第四章 催化剂降解城市生活污水的催化活性研究57-60
• 4.1 引言57
• 4.2 实验试剂与仪器57-58
• 4.2.1 实验试剂57
• 4.2.2 实验仪器57-58
• 4.3 实验方法58
• 4.3.1 Fe~ⅢAspSiW降解城市生活污水实验58
• 4.3.2 FcSiW降解城市生活污水实验58
• 4.3.3 TOC测试方法58
• 4.4 实验结果58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 结论与存在的问题60-63
• 5.1 结论60-62
• 5.2 存在的问题62-63
• 第六章 探索性实验63-66
• 6.1 引言63
• 6.2 实验试剂与仪器63-64
• 6.2.1 实验试剂63
• 6.2.2 实验仪器63-64
• 6.3 催化剂的制备与催化性能测试64
• 6.3.1 催化剂的制备方法64
• 6.3.2 催化剂催化性能测试64
• 6.4 结果与讨论64-65
• 6.5 本章小结65-66
• 参考 文献66-72
• 攻读硕士学位期间所取得的科研及实践成果72-73
• 致谢73-74
• 作者简介74

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