改性活性炭纤维催化过一硫酸氢盐降解水中活性黑5

发布时间：2018-11-24 15:01

【摘要】：目前,基于过一硫酸氢盐(PMS)的高级氧化技术(Advanced oxidation processes,AOPs)的研究受到广泛的的关注,尤其是利用碳材料作为催化剂或者催化剂载体催化PMS产生硫酸根自由基(S04·-)降解水中有机污染物的研究方向更是成为了近期的热点。然而,目前更多的研究主要集中在利用活性炭颗粒(GAC)或者活性炭纤维(ACF)作为Co或Fe等过渡金属的载体,直接利用碳材料作为PMS催化剂的研究非常少,而且主要的目标污染物都是一些易吸附的有机污染物。本文选取活性染料活性黑5(RB5)为目标污染物,由于ACF几乎不吸附RB5,这样可避免ACF对污染物的吸附过程对其降解机理分析的干扰。前期研究发现ACF催化PMS降解RB5的能力十分有限。为了提升ACF的催化降解活性,希望通过对ACF的表面改性,最终提升其催化降解RB5的能力。同时通过X射线光电子能谱(XPS)分峰等手段确定对其催化能力起促进作用的活性官能团种类。本文的具体研究内容如下：(1)将原始活性炭纤维(ACF-0)通过三种方法改性,分别获得三种活性炭纤维材料：ACF-N(ACF-0经3M硝酸处理)、ACF-H(ACF-0经900℃氮气气氛高温加热)、ACF-NH(ACF-N在900℃氮气气氛高温加热)。通过比表面积和孔径结构分析、Boehm滴定法、傅里叶红外光谱图(FT-IR)、扫描式电子显微镜-X光微区分析(SEM-EDS)、X射线光电子能谱(XPS)等方法表征上述四种ACF的表面物化性质。硝酸处理会使得ACF表面遭到腐蚀,增加ACF表面的羧基和酮基的同时能够引入硝基等含氮官能团到ACF表面。高温处理能够使ACF表面变得更加密实,使得羧基,酮基和醛基等酸性官能团热解的同时,相当一部分的碱性官能团也会在加热过程中分解。而先硝酸处理,再热处理所的的ACF-NH的表征结果显示,该方法在较微弱的改变ACF表观形态和孔径结构的情况下,能够成功将含氮官能团引入ACF表面,并且使得表面呈碱性。(2)比较了ACF-0、ACF-N、ACF-H、ACF-NH等四种材料分别催化PS、PMS和H202对易吸附有机物酸性橙7(A07)和难吸附有机物RB5的降解情况。对于A07,四种材料的活化能力与对A07吸附和催化降解能力依次为：ACF-NHACF-0ACF-HACF-N。而对于RB5,四种材料都基本很难吸附RB5,而其催化降解能力依次为：ACF-NHACF-0ACF-NACF-H。通过上述比较,ACF-NH/PMS为降解RB5的最优体系。增加PMS和ACF-NH的投加量能提升其对难吸附污染物RB5的降解能力。当PMS与RB5摩尔比为50：1,ACF-NH投加量为0.4g/L时被认为最优条件。(3)利用XPS的C、N、O全谱,结合四种材料联合PMS降解RB5的性能,分析了上述三种元素在活性炭纤维表面的存在状态对其催化性能的影响。首先C元素对催化作用起着直接作用的是表面的π-π电子对。而C和O其他官能团主要则主要是通过不同官能团具有的不同酸碱性质,使得ACF表面酸碱度随之改变,最终来影响其对具有酸性的RB5分子的吸引接触能力,间接的改变催化降解能力。最后ACF表面微量的氮元素对催化PMS降解RB5起着至关重要的作用,其中硝基会明显抑制催化作用,而吡啶和胺类等基团会促进催化反应的进行。(4)定性分析了ACF-NH/PMS体系降解RB5的机理。该体系对RB5的降解主要为偶氮键的断裂,苯环和萘环的开环。ACF-NH/PMS体系能够降解RB5的主要活性物种被认为是HO·和S04·-,其活化位点为ACF-NH表面,而且对RB5催化氧化场所也位于ACF-NH的近表面。发现是否易被吸附对该体系并不重要而染料分子与ACF-NH表面的接触几率却是其能高效降解的重要因素。其次ACF-NH/PMS体系的重复利用效果比较理想。因此可以认为,先硝酸处理后氮气热处理的过程,是一个集改性与再生为一体的过程。
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【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ342.742;O643.32

【参考文献】