新型非均相Fenton催化劑的制備及其催化降解有機(jī)污染物性能研究.pdf

1、工業(yè)化的快速發(fā)展為人類帶來了豐富的物質(zhì)文化生活，同時(shí)也給水環(huán)境和人類健康帶來了日趨嚴(yán)重的危害。Fenton氧化技術(shù)是一項(xiàng)環(huán)境友好的新型環(huán)保技術(shù)，因其具備獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)如氧化能力強(qiáng)、設(shè)備簡單和無選擇性而被廣泛應(yīng)用于持久性和難生物降解有機(jī)廢水的處理。然而，F(xiàn)enton反應(yīng)也存在一些無法避免的缺點(diǎn)，如反應(yīng)的最佳 pH值局限于2-4；反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的鐵泥，容易造成二次污染；反應(yīng)無法循環(huán)，增加了鐵泥的回收和處理成本。這些弊端也限制了Fenton體

2、系在實(shí)際污水處理中的應(yīng)用。非均相 Fenton體系將鐵離子固定化，不僅保留了Fenton體系的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且能有效克服Fenton體系的諸多不足，因此近來年引起了廣大學(xué)者的極大關(guān)注。本文采用簡單易行的方法合成了多種非均相Fenton催化劑，以幾種典型污染物為探針，研究了所制備催化劑的非均相Fenton催化降解性能，并對(duì)其降解機(jī)理進(jìn)行了分析。主要研究工作如下：
　?。?）通過簡單的液相沉積法制備了不同氧化石墨烯負(fù)載量（2.5,5,1

3、0％）的氧化石墨烯-FePO4（GO-FePO4）復(fù)合材料，并將其作為非均相可見光Fenton催化劑用于染料廢水的降解。XRD結(jié)果表明，所制備的復(fù)合材料形態(tài)為非晶態(tài)；FESEM結(jié)果顯示，負(fù)載后的 FePO4表面結(jié)構(gòu)更為松散；UV-vis結(jié)果表明，GO的引入能夠有效提高復(fù)合材料的可見光利用率。在最佳條件下，GO-FePO4對(duì)RhB的非均相Fenton降解效率是FePO4的2.87倍，且催化劑能在較寬的pH范圍內(nèi)（2.18-10.40）對(duì)羅

4、丹明B（RhB）具有很好的降解效果。此外，催化劑在經(jīng)歷6次循環(huán)使用后還能保持很好的催化降解和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有較高的實(shí)際應(yīng)用潛力。GO對(duì)GO-FePO4催化降解RhB效果的提升主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一，使催化劑的表面更疏松，可以提供更多的活性位點(diǎn)；二，提高催化劑的可見光響應(yīng)范圍，增加催化劑對(duì)太陽能的利用率；三，促進(jìn)Fe3+/Fe2+的循環(huán)，從而提高Fenton反應(yīng)速率。
　?。?）采用新型Fenton氧化法，在蒙脫石存在的條件下降解有

5、機(jī)污染物（RhB,1000 mg/L），實(shí)現(xiàn)了鐵-蒙脫石的原位制備，獲得了具有高吸附和高催化降解性能的鐵-蒙脫石復(fù)合材料（Fe-MMT-RhB）。Fe-MMT-RhB作為吸附劑對(duì)RhB的吸附量要遠(yuǎn)高于蒙脫石（MMT）和無 RhB制得的鐵-蒙脫石（Fe-MMT）對(duì) RhB的吸附量。Fe-MMT-RhB對(duì)RhB的最大吸附量高達(dá)207.5 mg/g，高于絕多大數(shù)文獻(xiàn)中報(bào)道的吸附劑對(duì)RhB的最大吸附量。Fe-MMT-RhB對(duì)RhB的吸附符合準(zhǔn)二

6、級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，吸附過程以化學(xué)吸附為主；吸附等溫線符合Langmuir吸附等溫線模型，吸附過程屬于單分子層吸附；采用非均相 Fenton氧化法對(duì)吸附材料進(jìn)行吸附再生實(shí)驗(yàn)，吸附劑在循環(huán)使用5次后仍對(duì)RhB具有較好的吸附效果，表明所制備的Fe-MMT-RhB吸附劑不僅對(duì)RhB具有很高的去除率，而且具有很好的再生和循環(huán)使用功能，具有較好的實(shí)際應(yīng)用潛力。以酸性紅G（ARG）為模擬污染物，在相同條件下制備的Fe-MMT-ARG復(fù)合物同樣對(duì)RhB具有

7、非常好的吸附效果，表明了該制備方法具有較好的普遍適用性。
　　將Fe-MMT-RhB復(fù)合材料作為非均相Fenton催化劑對(duì)RhB進(jìn)行催化降解實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，催化劑能在較寬的pH范圍內(nèi)（2.01-11.67）都對(duì)RhB具有較好的降解效果，克服了傳統(tǒng)均相Fenton體系pH適用范圍窄的不足。FT-IR和XPS分析結(jié)果證明了催化劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。熒光光譜和對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，體系中的主要活性基團(tuán)來自催化劑表面產(chǎn)生的羥基（?OH）自由基。

8、　?。?）采用 Fenton氧化法制備了鐵泥，通過簡單的焙燒改性制備了 Fe-600非均相 Fenton催化劑。XRD分析結(jié)果表明，鐵泥的主要成分為羥基氧化鐵（FeOOH）；600℃煅燒后，改性鐵泥的主要成分為α-Fe2O3和γ-Fe2O3。XPS和TG/DSC分析進(jìn)一步確認(rèn)了鐵泥和改性鐵泥的主要成分。經(jīng)過適當(dāng)溫度焙燒后的鐵泥（Fe-600），對(duì)RhB的催化降解效果顯著提高。以RhB和ARG為模擬污染物制得的模擬改性鐵泥同樣對(duì)RhB具有

9、非常好的降解效果。同時(shí)，F(xiàn)e-600催化劑對(duì) MB和 MO也具有很好的降解效果，表明所制備的催化劑具有很好的普遍適用性。通過電子順磁和捕獲實(shí)驗(yàn)證明了Fe-600/H2O2體系催化降解RhB過程中的主要活性基團(tuán)為?OH自由基。
　?。?）使用極少量的石墨烯與Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的鐵泥進(jìn)行復(fù)合，原位制得了石墨烯復(fù)合鐵泥非均相 Fenton催化劑，分析了石墨烯對(duì)復(fù)合材料降解有機(jī)污染物性能提升的可能原因。XRD、XPS以及Raman分析表

10、明石墨烯與鐵泥成功復(fù)合，樣品中鐵泥的主要成分為FeOOH。FESEM分析結(jié)果得出，鐵泥樣品的表面光滑，大小較為均一，顆粒粒徑在1-2μm左右。復(fù)合后，石墨烯包覆在鐵泥的表面。經(jīng)過極少量的石墨烯復(fù)合后，樣品對(duì) RhB的催化降解效果顯著提升。通過對(duì)ARG的催化降解實(shí)驗(yàn)證明了所制備催化劑的普遍適用性。最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件為：石墨烯負(fù)載量為0.03 g，催化劑投加量為1 g/L，H2O2投加量為10 mmol/L。通過熒光和捕獲實(shí)驗(yàn)證明了Fe-G-3/