微波辅助铁酸铋制备与催化氧化新兴污染物BPA和PFOA性能研究

发布时间：2020-04-12 06:29

【摘要】：新兴有机污染物由于分布范围广、难降解和具有毒性富集性,对生态环境和人类健康影响很大,已经成为全球范围内关注的焦点。光催化和类Fenton催化氧化技术是目前去除新兴污染物的主要降解技术,如何制备高效、安全、稳定且实用的催化材料是提高该技术实际应用的关键问题。本文采用微波辅助水热法制备以泡沫镍(NF)为载体,铅离子(Pb~(2+))和石墨烯(rGO)共掺杂的铁酸铋(Bi FeO_3)催化材料(Pb-BiFeO_3/rGO@NF),建立以新兴污染物双酚A(BPA)和全氟辛酸(PFOA)为目标物的光催化氧化体系和微波强化类Fenton催化氧化体系,并探讨Pb-BiFe O_3/rGO@NF催化材料在光催化体系和微波强化类Fenton体系的作用机制。基于微波辐射技术采用微波辅助水热法制备了铅掺杂铁酸铋(Pb-BiFeO_3)催化材料,解决传统水热法制备BiFeO_3催化材料耗时长及催化性能差的问题。利用响应曲面法对制备工艺进行优化,得到最佳工艺参数为:Bi/Fe的摩尔比为1,掺杂金属为Pb~(2+)其添加量为1.88 wt%,分散剂为聚乙二醇(PEG6000)其添加量为1.0 g/L,氢氧化钠(NaOH)添加量为3.26 g/L,微波水热制备温度和时间分别为190~oC和30 min。得到Pb-BiFeO_3催化材料为钙钛矿结构,孔径为7.8 nm,比表面积为67.7 m~2/g。采用100 W汞灯辐照120 min时,对浓度为20 mg/L的BPA降解率可达到98.5%。从形貌、晶型、比表面积及官能团等多种表征方法对比微波辅助水热法与传统水热法制备的催化材料,明确了微波辅助水热法的优势,探讨了微波的作用机制。结果表明,微波与Pb~(2+)的共同作用强化了BiFeO_3纳米颗粒的晶型,减小了粒径,增加了比表面积,并提高了Pb-BiFe O_3催化材料的催化性能。为了进一步提高Pb-BiFeO_3催化材料的催化性能和实际应用性,采用微波辅助水热法制备以NF作为载体,将rGO掺入Pb-BiFe O_3纳米颗粒的催化材料。在rGO添加量为0.7 wt%,Pb-BiFeO_3/rGO与NF质量比1,NaOH添加量为3.26 g/L,微波水热制备温度和时间分别为190~oC和30 min时,成功制备具有催化性能高、易回收及循环使用性稳定等优点的Pb-BiFeO_3/rGO@NF催化材料。基于Pb-BiFe O_3/rGO@NF催化材料分别建立光催化氧化去除水中BPA工艺和微波强化类Fenton催化氧化水中PFOA工艺。在光催化体系中处理初始浓度为20 mg/L的BPA,添加1.0 g/LPb-BiFeO_3/rGO@NF催化材料,反应60 min可去除水中96.7%的BPA并达到64.8%的矿化度;在微波强化类Fenton催化体系中处理初始浓度为10 mg/L的PFOA,调节pH值至5,添加1.2 g/L的Pb-BiFeO_3/rGO催化材料,添加浓度为34 mg/L的过氧化氢(H_2O_2),在微波功率为150 W时反应6 min可去除水中97.3%的PFOA,矿化度为63.3%。依据微波强化类Fenton催化氧化静态实验,建立微波强化类Fenton催化氧化去除水中PFOA动态处理工艺,采用响应曲面法对微波反应温度、H_2O_2浓度、催化材料添加量和水力停留时间进行优化。在最佳条件为初始pH值为5、水力停留时间为10 min、微波反应温度为70~oC、Pb-BiFe O_3/rGO@NF催化材料添加量为2.0 g/L、H_2O_2的浓度为70 mg/L、曝气量为0.5 m~3/h时,对10 mg/L PFOA的降解率为92.3%。对Pb-BiFeO_3/rGO@NF催化材料的循环使用性进行研究。在6次循环使用实验后,Pb-BiFeO_3/rGO@NF催化材料中金属离子溶出浓度低于70μg/L,对水中BPA的降解率为85%以上。解决了在光催化和类Fenton催化氧化体系中催化材料性能提升、固定化和循环使用方面的问题,同时对自由基和反应动力学进行研究,探讨以Pb-BiFeO_3/rGO@NF为催化材料在光催化氧化体系去除水中BPA和微波强化类Fenton催化氧化体系去除水中PFOA的作用机制。实验结果表明,羟基自由基(·OH)是去除水中BPA和PFOA的主要进攻物质,Pb~(2+)和rGO的掺入提高了BiFeO_3催化材料的催化性能并促使产生更多的·OH参与催化氧化反应。此外,对BPA和PFOA的降解路径进行推测。在光催化体系中,·OH攻击BPA分子的异丙基连接处打开苯环,生成了苯酚、对苯二酮等物质,苯酚等物质又进一步被·OH攻击降解为小分子有机物、水(H_2O)和二氧化碳(CO_2);PFOA是通过长链的不断断裂进行降解,每次断裂均脱掉一个CF_2,最终形成小分子有机物、氟离子(F~-)、H_2O和CO_2。
【图文】：

铁酸铋的结构

图 2-7 2-羟基对苯二甲酸的 3D 荧光扫描g. 2-7 3D fluorescent scanning of 2-hyydroxyterephthalic 验微波辅助水热法制备BiFeO3催化材料的催化德国Bruker）来测定·OH，，DMPO作为电子自旋将反应液迅速用100 μL毛细玻璃管进行取样，
【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】：2018
【分类号】：X703


本文编号：2624395