复合铁锰硅酸盐催化臭氧氧化水中磺胺甲恶唑的效能与机理研究

发布时间：2017-12-24 09:23

本文关键词：复合铁锰硅酸盐催化臭氧氧化水中磺胺甲恶唑的效能与机理研究　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着人民生活水平和健康意识的不断提高,以及包括化学工业在内的技术领域的迅猛发展,具有不同治疗效果的抗生素药物被源源不断的开发出来,但由于对抗生素药物的大量使用和不合理处置,导致目前水环境中已频繁检出抗生素的存在。常规的饮用水处理工艺对这类污染物的去除能力有限,因此,研究者们开发出了一系列强化处理工艺来提高饮用水中抗生素的去除效果,以确保饮用水的水质安全性。非均相催化臭氧氧化法可将臭氧的氧化性与固体催化剂的吸附性相结合,从而能有效的去除饮用水中存在的有机污染物。本论文将铁、锰氧化物良好的催化活性与硅氧化物的孔隙结构发达等特征相结合,在实验室条件下制备合成出了复合铁锰硅酸盐催化剂(FMSO),并将其用于非均相催化臭氧氧化过程中。通过对FMSO的物理结构特征和表面化学性质进行表征可知,FMSO的表面没有规则的形貌,且表面结构中含有大量的细小颗粒。FMSO具有较高的比表面积和孔容,表面含有丰富的羟基基团和吸附水,并且表面零电荷点(pHpzc)接近中性。FMSO表面中含有的氧元素主要以化学吸附态为主。选取磺胺甲恶唑(SMX)作为目标污染物,在半连续流实验条件下考察了FMSO催化臭氧氧化对水中SMX的去除效能和反应过程中的影响因素。研究结果表明,FMSO对SMX的吸附能力较弱,FMSO的加入能明显的提高臭氧氧化对SMX的矿化去除能力,反应60min后,FMSO催化臭氧氧化体系中TOC的去除率相比于单独臭氧氧化体系提高了52.8%。在FMSO催化臭氧氧化SMX的过程中,TOC的去除率与催化剂、臭氧投量呈正相关,而与目标物初始浓度相关性较小。在自来水配水条件下,FMSO仍能体现出较高的催化活性。水中存在的无机离子Ca2~+、Mg2~+、Na~+、K~+和NO3-对FMSO的催化活性影响较弱,而无机离子Cl-、SO42-和PO43-对FMSO的催化活性具有较为明显的抑制作用。随着反应温度的增加,TOC的去除率呈先增加后下降的趋势。FMSO在五次重复使用后仍具有较高的催化活性,并在催化臭氧氧化过程中仅有痕量的金属离子溶出,不会影响水质。同时,FMSO在五次重复使用后,其微观结构和表面化学性质变化较小。在静态实验条件下考察了FMSO对臭氧的催化分解作用。研究结果表明,臭氧自分解过程和FMSO催化臭氧分解过程均符合假一级动力学模型,FMSO的加入能明显的提高臭氧的分解速率,臭氧的分解速率常数由0.022min-1(臭氧自分解)增加到了0.101min-1(FMSO催化臭氧分解)。在FMSO催化臭氧分解过程中,臭氧的分解主要发生在催化剂表面。臭氧的分解速率常数与臭氧初始浓度呈正相关,自来水中杂质的存在能明显的加快臭氧在水中的分解过程,碳酸盐碱度的存在对臭氧在水中的分解过程具有一定的抑制作用。水中无机离子的存在均能在不同程度上抑制FMSO对臭氧分解的催化活性,且抑制程度与它们置换FMSO表面羟基的能力呈正相关。无机离子和溶液pH对FMSO催化臭氧分解的影响结果表明,FMSO的表面羟基是催化臭氧分解的活性位点,并且溶液pH在中性条件下,FMSO催化臭氧分解的活性最高。随着FMSO在制备过程中焙烧温度的升高,其催化活性逐渐下降。FMSO在催化臭氧分解过程中具有较高的稳定性。在FMSO催化臭氧氧化去除SMX的过程中,FMSO有利于改善臭氧的传质过程和提高臭氧的溶解度,并能同时提高臭氧的利用率。FMSO的存在可明显的提高反应体系中·OH的生成量,从而有利于反应溶液中TOC的去除。FMSO的表面羟基是其发挥催化作用的活性位点,并且在中性条件下其催化活性最高。SMX在氧化降解过程中会生成各种不同的中间产物,而FMSO对这些中间产物的吸附能力远远高于母体分子(SMX)。在单独臭氧氧化和FMSO催化臭氧氧化过程中,SMX在降解的初始阶段,均主要以臭氧分子的直接氧化作用为主,SMX在降解过程中会生成大量的臭氧难降解中间产物,如羧酸类有机物,而FMSO的加入能有效的去除这些臭氧难降解中间产物,从而提高整个反应体系的矿化度。
【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】：TU991.2

【参考文献】