凹凸棒石基非均相催化剂的制备及其在废水处理中的应用研究

发布时间：2020-06-06 15:16

【摘要】：难降解有机污染物由于其具有毒性大、被微生物降解速度慢、分解不彻底等特性已引起人们的广泛关注,难降解有机污染物危害已成为全球性的重大环境问题。非均相Fenton催化作为一种高级氧化技术正在被广泛研究用来催化降解有机污染物。开发一种易分离回收,无铁流失量或铁流失量小,可重复使用,催化性能稳定,使用范围宽,对水中难降解有机物有较好催化降解能力的非均相Fenton催化剂已成为Fenton催化研究的一个重要方向。本论文通过在凹凸棒石(ATP)粘土上负载三氧化二铁(Fe_2O_3),得到Fe_2O_3/ATP催化剂;以三种难降解有机物,十二烷基苯磺酸钠(SDBS),亚甲基蓝(MB)和刚果红(CR),为目标污染物,进行了降解实验研究。研究了Fe_2O_3/ATP/H_2O_2非均相催化体系对水中三种较高浓度的难降解有机物的催化降解性能,详细考察了影响各有机物的降解的因素,探讨了各有机物降解的反应机理。主要内容归纳如下:(1)分别采用传统湿法和普通混合法制备了两种非均相Fenton催化剂Fe_2O_3/ATP-1和Fe_2O_3/ATP-2,并对这两种催化剂催化降解十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的性能进行了对比研究。考查了传统湿法制备Fe_2O_3/ATP-1催化剂时的前驱物Fe(NO3)3浓度和普通混合法制备Fe_2O_3/ATP-2时Fe_2O_3在混合时所占比例对催化降解SDBS性能的影响。(2)采用BET,SEM,FT-IR对Fe_2O_3/ATP-1和Fe_2O_3/ATP-2进行了表征分析,Fe_2O_3的负载和混合使得ATP孔隙率和比表面积减小,但却使其具有较强的催化活性;且制备得到的催化剂中出现了α-Fe_2O_3的特征峰,证明催化剂中有Fe_2O_3存在。(3)考查了以Fe_2O_3/ATP-1为催化剂,并在H_2O_2存在的情况下,H_2O_2浓度,催化剂用量,pH值和温度对SDBS降解效果的影响。当pH=4,[H_2O_2]0=0.392 mol/L,Mc=0.5g/L,T=60℃时,SDBS的去除率可达99%以上。(4)考查了催化剂Fe_2O_3/ATP在非均相Fenton体系中MB及CR的脱色效果随时间的变化,H_2O_2浓度的变化、Fe_2O_3/ATP催化剂用量的变化、pH值的变化和温度的变化对MB及CR脱色效果的影响。各种实验条件下MB和CR在降解过程中均表现出了不同的特性,可能是由于MB是一种非偶氮染料,而CR是一种偶氮染料的缘故。(5)研究了催化剂Fe_2O_3/ATP的稳定性和可重复利用性能。经过十次催化脱色实验后,Fe_2O_3/ATP/H_2O_2催化体系对SDBS、MB和CR的脱色率仍保持较高的效率。对比了Fe_2O_3/ATP催化的非均相Fenton反应与均相Fenton反应对SDBS、MB和CR的催化脱色效果,Fe_2O_3/ATP催化的非均相Fenton反应对MB和CR的催化脱色效果几乎与均相Fenton反应对两者的催化脱色效果相同,但Fe_2O_3/ATP催化剂具有pH值范围广,无Fe离子浸出,催化剂可重复利用等优点。(6)研究了pH值对Fe_2O_3/ATP/H_2O_2体系降解亚甲基蓝的影响,以及在降解过程中溶液pH值的变化过程。由于凹凸棒石粘土的特性、H_2O_2的特性以及非均相Fenton反应的特性等因素,该体系的pH值在反应过程中有较大的变化,pH值对Fe_2O_3/ATP/H_2O_2体系降解亚甲基蓝的影响也比较大。(7)采用响应曲面设计方法(RSM)中的BBD方法优化了MB的降解实验条件,并将实验结果用二次多项式进行拟合。由方差分析结果表明,推导出的二次多项式模型是有意义的。另外该模型的相关系数R=0.9917,表明MB的脱色率实验值和预测值具有较好的一致性。根据3D响应曲面确定了既定条件下的MB脱色实验的最佳实验条件为:H_2O_2浓度为58.8 mmol/L,催化剂用量为10 g/L,pH值为2。(8)研究了MB起始浓度对该非均相催化体系降解MB的影响,并进行了动力学方程的拟合,根据拟合结果,选择L-H方程来描述初始浓度分别为不同浓度的MB的脱色降解过程。分析了该非均相体系中可能发生的反应,对溶液中MB和H_2O_2的浓度变化进行了推导。并根据HPLC-MS对芳环中间产物的鉴定推测了MB的降解路径。
【图文】：

图 2-1 凹凸棒石晶体结构示意图Fig.2-1 The schematic diagram of attapulgite crystal structure石粘土的催化性能具有沸石通道及集合体的微细孔隙结构，，非等价阳离子置换产生路易斯酸化中心和碱化中心，另外凹凸棒石粘土如经热

(a)江苏盱眙凹凸棒石粘土 (b)安徽明光凹凸棒石粘土 (c)甘肃临泽凹凸棒石粘土图 2-2 江苏、安徽、甘肃三地凹凸棒石粘土外观对比图Figure 2-2 Appearance comparison diagrams of attapulgite clay from Jiangsu,Anhui and Gansu.2.2.2 理化性质三种不同产地凹凸棒石粘土的理化性质测试结果见表 2-6。由表 2-6 可见，安徽
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;TQ426

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本文编号：2699870