铁酸盐/水体系对萘酚蓝黑的吸附及降解性能研究

摘要

近年来，我国印染行业的用水量和排水量在大幅度增长，这些废水是水体污染的主要来源之一，它们大多数带有毒性。尽管国家有明确的废水排放标准，但超标排放的现象仍时有发生。实际上在土壤、岩石和水体中天然存在着一些矿物材料，在环境自修复过程中发挥着重要作用，铁氧化物就是其中重要的一员。铁氧化物广泛存在于自然环境中，由于其表面积较大及表面化学性质较为特殊（如富含羟基、活性位点、活跃的表面氧化还原活性以及极强的电子输运能力），使其易吸附一些重金属离子或有机污染物。研究发现H2O2是广泛存在于自然水体和水/固界面上相对稳定的活性氧物种，这就意味着在土壤和地表水体中天然存在着铁氧化物/H2O2系统，该系统的存在还可使吸附在其表面的有机物发生氧化降解。然而，自然界中的铁氧化物有多种赋存形式，计量比和非计量比的铁酸盐就是其中之一。对于各种铁氧化物在吸附和降解污染物性能方面，本实验室前期已经开展过系统研究。本论文选取计量比和非计量比的铁酸盐作为研究对象，以萘酚蓝黑(NBB)作为模拟污染物构建研究体系，旨在探究不同种类以及不同计量比的铁酸盐对NBB的吸附和降解过程。主要研究内容及结论包括:
　　(1)通过共沉淀的方法制备五种铁酸盐AFe2O4(A=Mn，Fe，Co，Ni，Zn)，以萘酚蓝黑(NBB)为模拟污染物，分别以H2O2和Na2S2O8为氧化剂，探究五种铁酸盐在可见光下对NBB的降解。结果表明:NBB在五种铁酸盐上的饱和吸附量qm由大到小的顺序为:MnFe2O4＞ZnFe2O4＞CoFe2O4＞NiFe2O4＞Fe3O4，吸附力b参数由大到小顺序为:MnFe2O4＞CoFe2O4＞ZnFe2O4＞NiFe2O4＞Fe3O4，由于结合力越强，脱附过程越不利于进行，故降解率MnFe2O4＜CoFe2O4＜ZnFe2O4＜Fe3O4，NiFe2O4因具有相对小的结合力和相对大的饱和吸附量，所以降解完全所用时间最短，降解率较大。
　　(2)选取铁酸镍和铁酸锰构建研究体系，以萘酚蓝黑(NBB)为模拟污染物，探讨NBB的降解机理及催化剂回收利用的可能性。结果表明:NiFe2O4/H2O2/可见光催化体系在140 mg/L的NBB溶液中，4h后降解率为97％，MnFe2O4/H2O2/可见光在140 mg/L的NBB溶液中，4h后降解率98％。实验结果表明:铁酸镍和铁酸锰体系对NBB的降解率均能达到95％以上，但降解NBB的路径不同。多次重复利用实验结果显示，铁酸盐材料具有良好的催化活性和稳定性，可以循环使用。
　　(3)通过共沉淀的方法制备非计量比铁酸盐，用XRD、FT-IR、BET等手段进行了表征，以萘酚蓝黑(NBB)为模拟污染物，系统研究NBB在系列非计量比铁酸盐/水界面的吸附和降解过程。结果表明:随着掺锰量的增加，单位表面积的各吸附剂对NBB的吸附量随之增大，表明样品表面除Fe可以作为活性位点外，Mn也可以作为活性吸附中心，而且NBB更倾向吸附于Mn上。与纯相的α-Fe2O3比，锰离子进入到α-Fe2O3中，其对NBB的降解率大大增加，随着nMn/nFe的增大，NBB的降解率表现出先增大后减小的趋势。nMn/nFe=0.2-0.5样品对NBB的降解率均接近98％，nMn/nFe=0.8样品体系降解率则约为90％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 水资源现状

1．2 铁氧化物与铁酸盐的结构及应用

1．2．1 铁氧化物的结构及应用

1．2．2 铁酸盐的结构及应用

1．3 研究目的及研究内容

第二章 实验部分

2．1 主要试剂及实验仪器

2．1．1 污染物的选择

2．1．2 药品试剂

2．1．3 实验仪器

2．2 样品的制备

2．2．1 铁酸盐材料的制备

2．2．2 非计量比铁酸锰材料的制备

2．3 实验分析方法

2．3．1 样品的表征

2．3．2 工作曲线的测定

2．3．3 吸附实验

2．3．4 吸附解吸实验

2．3．5 降解实验

第三章 铁酸盐样品的表征

3．1 XRD分析

3．2 TEM分析

3．3 FTIR分析

3．4 BET分析

3．5 磁性分析

3．6 XPS分析

3．7 小结

第四章 铁酸盐对萘酚蓝黑的吸附及降解过程研究

4．1 吸附量随时间的变化

4．2 铁酸盐对萘酚蓝黑的降解过程初探

4．2．1 铁酸镍体系催化降解NBB

4．2．2 铁酸锰体系催化降解NBB

4．2．3 五种铁酸盐体系催化降解NBB

4．3 NBB的降解机理

4．3．1 铁酸镍体系对NBB的降解机理

4．3．2 铁酸锰体系对NBB的降解机理

4．4 催化剂的回收利用

4．5 小结

第五章 非计量比铁酸锰对萘酚蓝黑吸附和降解的研究

5．1 非计量比铁酸锰材料的表征

5．1．1 XRD分析

5．1．2 TEM分析

5．1．3 FTIR分析

5．1．4 BET分析

5．1．5 等电点(pHpzc)的测定

5．2 非计量比铁酸锰对NBB的吸附性能的初探

5．2．1 掺锰量对非计量比铁酸锰吸附性能的影响

5．2．2 pH值对吸附过程的影响

5．2．3 吸附剂用量对吸附过程的影响

5．2．4 初始浓度对吸附过程的影响

5．2．5 共存阴离子对吸附性能的影响

5．3 吸附等温线

5．3．1 Langmuir和Freundlich吸附等温线

5．3．2 吸附可逆性研究

5．4 吸附动力学的研究

5．4．1 反应时间的确定

5．4．2 准一级和准二级动力学

5．5 吸附-解吸等温线

5．6 非计量比铁酸锰对NBB的降解研究

5．7 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果清单