铁基氧化物膜层制备及其类Fenton降解苯酚研究

发布时间：2018-05-05 19:29

本文选题：等离子体电解氧化 + 类Fenton　；参考：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：Fenton氧化法由于操作简单、成本低廉、原料丰富、降解效率高、设备简易,绿色无污染,而受到广泛青睐。然而,均相Fenton反应存在pH适用范围窄、降解过程中有铁泥产生、催化剂无法回收利用等缺点限制了其广泛的使用。尽管在此基础上发展了类Fenton催化剂,但其存在在近中性条件下无活性或活性差、催化剂回收复杂即需离心或过滤分离以及制备工艺复杂、耗时长的缺点。为了满足工业应用的需求,迫切需要制备出高催化活性、低成本、易于回收的类Fenton催化剂。本论文采用绿色高效的膜层制备方法即等离子体电解氧化法(PEO)成功将铁基氧化物固定于Q235碳钢表面,解决了催化剂回收利用难的缺点。利用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子谱(XPS)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)等对PEO膜层的物相、形貌以及表面酸特性等进行了分析。以苯酚为目标降解物,研究了所制备PEO膜层类Fenton降解苯酚的催化活性,优化了降解条件及制备工艺。利用等离子电解氧化法分别于铝酸盐及硅酸盐电解液体系中制备了Fe_3O_4/FeAl_2O_4和Fe_3O_4/SiO_2多孔PEO膜层。将所制备的膜层用于类Fenton降解苯酚来评估其催化活性,研究发现Fe_3O_4/FeAl_2O_4 PEO膜层在pH 4.0、H_2O_2 6.0mmol/L、苯酚35 mg/L的条件下于60 min内类Fenton降解苯酚效率可达100%,并且该体系所得膜层的类Fenton催化活性明显高于硅酸盐体系制备的膜层。另外,研究了降解条件即pH、H_2O_2投料量、苯酚浓度对苯酚降解效率的影响,优化了降解条件。同时,研究了制备工艺参数对苯酚降解效率的影响,进而优化了膜层结构。对所制备的膜层进行稳定性研究表明膜层表现出优异的稳定性。与均相Fenton降解苯酚反应相比,PEO膜层在pH 5.0的条件下无法通过类Fenton反应降解苯酚,而均相Fenton仍能快速的降解苯酚,因此,PEO膜层的类Fenton催化活性有待进一步提高。为了进一步提高PEO膜层的类Fenton催化活性,制备了过渡金属M(Ni、Co、Cu、Mn)改性的PEO膜层。物相分析显示过渡金属改性后膜层表面铁含量减少,并且过渡金属与铝酸盐、硅酸盐反应,生成了MAl2O4和MSi O3,而Co与硅酸盐反应则生成Co2Si O4。过渡金属改性PEO膜层类Fenton降解苯酚结果显示Ni改性PEO膜层可改善其催化活性,这可能是由于Ni作为类Fenton催化剂在反应中与Fe活性位存在协同效应,进而改善其类Fenton催化活性,然而,其催化活性提高程度并不大,这可能跟过渡金属未掺入Fe_3O_4的晶格有关。因此,PEO膜层的催化活性还需进一步提高。鉴于Fenton反应最佳pH为2~4,可通过在催化剂表面创造酸性微环境,来改善膜层的类Fenton降解效率,进而避免对降解液的酸性调节及处理后排放前的碱中和反应。基于此,利用等离子体电解氧化法采用硫代硫酸钠及过硫酸钠为硫源,制备了硫改性PEO膜层。研究发现硫改性后膜层物相未发生改变,硫以SO42-及SO32-物种形式存在于膜层表面并且与Fe成键,SO42--Fe化学键的形成导致在催化剂表面产生了Lewis和Br?nsted酸。在pH 6.0、H_2O_2 6.0 mmol/L、苯酚35 mg/L的条件下硫改性PEO膜层可将苯酚于7 min内快速降解掉;另外,在pH=9.0的弱碱性条件下硫改性PEO膜层仍能保持较好的降解效率。然而,硫改性PEO膜层表现出较差的稳定性,这跟催化剂表面铁活性位和硫酸性位的损失有关。为了解决解决硫改性PEO降解苯酚过程中存在的硫的损失以及由此引起的二次污染问题,接着利用等离子体电解氧化法于磷酸盐电解液体系中制备了ZrO_2改性铁氧化物膜层类Fenton催化剂,并研究了锆源含量对所制备PEO膜层表面形貌及物相的影响,物相分析发现所制备的PEO膜层均为非晶相,膜层由ZrO_2、FePO_4、Fe_3O_4构成。在含0.5 g锆源的磷酸盐电解液体系中制备的PEO膜层类Fenton降解实验显示在pH 6.0、H_2O_2 6.0 mmol/L、苯酚35 mg/L条件下苯酚可在2 min内被快速降解,尽管膜层表现出优异的催化活性,但因在降解中存在Zr及Fe的溶出导致其稳定性仍较差。正丁醇作为羟基自由基捕获剂和电子自旋共振谱(ESR)分析显示类Fenton反应中产生的羟基自由基为主要的强氧化性物种。PEO膜层的动力学分析显示降解过程分为诱导期和快速降解期,且均遵循准一级反应动力学过程,在前期阶段发生苯酚、H_2O_2在催化剂表面的吸附以及H_2O_2与催化剂表面的Fe活性位络合及反应,在其表面产生羟基自由基来降解苯酚;在快速降解期,一方面发生异相类Fenton反应,另一方面由于铁的溶出而发生均相Fenton反应;硫改性PEO膜层的苯酚降解机制分析显示类Fenton反应过程中产生的羟基自由基主要来源于催化剂表面,这与硫改性后催化剂表面存在酸性位有直接的关系。
[Abstract]:In order to meet the demand of industrial application , the catalytic activity of the catalyst for the degradation of phenol by Fenton oxidation was studied . A modified PEO film was prepared by using sodium thiosulfate and sodium persulfate as sulfur source . hydroxyl radical are generate on that surface thereof to degrade the phenol ; on the one hand , heterogeneous Fenton reaction occur on the one hand ; on the other hand , a homogeneous Fenton reaction occurs due to the dissolution of iron ; and the phenol degradation mechanism of the sulfur modified PEO film layer analyzes the hydroxyl radical generated in the Fenton reaction process mainly from the surface of the catalyst , and has a direct relationship with the acidic position of the surface of the sulfur modified catalyst .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;X703

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