納米Fe3O4及其復(fù)合材料催化過氧化物去除水中氯酚的研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和和社會(huì)的進(jìn)步，水資源的需求量越來(lái)越大，但是同時(shí)水污染的問題也日益嚴(yán)重，這不僅對(duì)人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，更加劇了水資源的短缺。因此，開發(fā)高效的水處理工藝對(duì)于緩解水危機(jī)，改善生存環(huán)境具有重要意義。非均相Fenton氧化技術(shù)能夠有效的去除水中的有機(jī)污染物，但是存在反應(yīng)條件苛刻、催化劑催化效率低下等問題。
　　結(jié)合目前非均相 Fenton氧化技術(shù)中存在的諸多問題，本文以非均相 Fenton氧化技術(shù)為研究對(duì)象，以設(shè)計(jì)、制備環(huán)

2、保高效的固相催化劑為目標(biāo)，開發(fā)了一系列新型納米材料作為非均相催化劑，并通過系列催化實(shí)驗(yàn)綜合評(píng)估了這些材料在近中性條件下（pH5.0）的催化性能。在此基礎(chǔ)上，探討了硫酸根自由基氧化技術(shù)作為Fenton技術(shù)替代技術(shù)的可行性。論文取得了一些具有創(chuàng)新性的研究成果。
　　以納米 Fe3O4作為催化劑，考察了其在 pH5條件下催化 H2O2分解去除水中4-氯酚的催化效能。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4/ H2O2體系能夠高效去除水中的4-氯酚，反應(yīng)進(jìn)行

3、180 min后其濃去除率高達(dá)96.8％。催化反應(yīng)進(jìn)行180 min后溶液中的鐵離子只有2 mg/L左右，而自由基捕捉劑乙醇的投加導(dǎo)致了4-氯酚去除率的下降。Fe3O4重復(fù)使用5次以后，水中4-氯酚的去除率由第一次的96.8%下降至91.8%， TOC的去除率由48.7%下降至42.7%，具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)使用性。盡管如此，F(xiàn)e3O4作為催化劑存在的催化效率不高的缺點(diǎn)。
　　以提高 Fenton的催化效率為目的，設(shè)計(jì)并制備了F

4、e3O4-Au復(fù)合材料作為非均相Fenton催化劑。Fe3O4-Au復(fù)合材料能夠高效的催化H2O2分解去除水中的4-氯酚。綜合催化性能和成本，1%是Au含量的最佳比例。Fe3O4-Au復(fù)合材料催化H2O2分解的活化能為23.18 KJ/mol，明顯低于Fe3O4催化H2O2分解的活化能。同時(shí)反應(yīng)中催化劑表面的金屬基本沒有析出。經(jīng)過8次的重復(fù)催化實(shí)驗(yàn)后，4-氯酚的4 h去除率由第一次的94.6%下降到第八次的90.5%， Fe3O4-Au

5、復(fù)合材料的催化具有極高的穩(wěn)定性。改進(jìn)了Fe3O4-Au的合成方法進(jìn)一步合成了Fe3O4-Ag用于H2O2催化。Fe3O4-Ag的催化效能大大高于 Fe3O4-Au，但這是以Ag+的大量析出為代價(jià)。盡管如此，作為殺菌劑，F(xiàn)e3O4-Ag能快速、高效的將水中的大腸桿菌殺死，而且沒有Ag+的析出。其可回收性也消除了后續(xù)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
　　以解決 Fe3O4-Au復(fù)合材料成本較高的問題為目的，通過 Fe(OH)2和KMnO4之間的反應(yīng)制備了

6、Fe3O4-MnO2核殼材料。Fe3O4-MnO2復(fù)合材料能夠高效催化H2O2分解氧化去除水中的4-氯酚。通過比較不同 Fe/Mn比的復(fù)合材料的催化性能發(fā)現(xiàn)6:1是最佳的Fe/Mn摩爾比，也驗(yàn)證了Fe3O4和MnO2之間存在協(xié)同催化性能。通過計(jì)算得到Fe3O4-MnO2核殼材料催化H2O2的活化能為30.42 kJ mol-1，低于Fe3O4催化H2O2反應(yīng)的活化能。
　　根據(jù) Fenton體系反應(yīng)速率低、氧化劑投量高、需要調(diào)節(jié)

7、pH等缺點(diǎn)，將Fe3O4-MnO2核殼材料應(yīng)用于過硫酸氫鉀的催化氧化中。Fe3O4-MnO2/Oxone能夠高效的去除水中的4-氯酚，相同投量條件下 Fe3O4-MnO2核殼材料的催化性能高于 MnO2。4:1的Fe3O4-MnO2核殼材料具有最高的催化性能，這也證明了在Fe3O4和MnO2的連接界面形成了復(fù)雜的鐵錳氧化物，并具有高催化性能。連續(xù)性催化實(shí)驗(yàn)表明 Fe3O4-MnO2復(fù)合材料具有化學(xué)和催化穩(wěn)定性。在同其他催化反應(yīng)體系比較中

8、發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4-MnO2/Oxone具有更高的催化效率和更貼近于工程實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)。將 Fe3O4-MnO2核殼材料作為氧化劑和吸附劑擴(kuò)展應(yīng)用到飲用水 As(Ⅲ)去除的實(shí)驗(yàn)中。結(jié)果表明3:1的Fe3O4-Mn2核殼材料具有最高的飽和吸附量，達(dá)到了80.40 mg/g。Fe3O4-MnO2核殼材料的吸附動(dòng)力學(xué)符合假二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。通過XPS分析發(fā)現(xiàn)As(Ⅲ)全部被氧化成了As(V)。
　　以上研究結(jié)果表明，盡管本研究的具體條件離實(shí)際應(yīng)