尖晶石催化臭氧去除水中邻苯二甲酸二丁酯的实验研究

摘要

本文以蛋清为原料,采用溶胶凝胶法制备了具有磁性尖晶石的多孔海绵状材料作为催化臭氧氧化去除水中环境激素类微污染物邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的催化剂。采用BET、VSM、SEM、XRD、FTIR、XPS、EDS等现代化测试手段对催化剂的性能和表面形态及结构进行了表征。以单独臭氧作为对比,探讨了水溶液的pH值、不同DBP初始浓度、催化剂的投加量、水中常见阴阳离子等因素对催化臭氧去除水中DBP效果的影响;对影响两种催化剂催化臭氧去除DBP的单因素进行了实验分析,并对该催化剂的再生性能进行了研究,研究了臭氧分解率和DBP降解速率的关系,同时结合现代化测试手段对NiFe2O4催化臭氧分解及降解DBP机理及分解进行了深入分析,提出了臭氧在催化剂表面吸附分解的过程模式,提出了新的催化过程机理。
　　实验结果表明,催化剂均为尖晶石结构,多孔海绵状,较好的磁性。在催化臭氧氧化去除DBP的实验中表现出较好的催化去除效果,相比单独臭氧40％的DBP去除率MnFe2O4/O3和NiFe2O4/O3去除率分别为96%和100%,提高了56%和60%,其中NiFe2O4/O3的效果要好于MnFe2O4/O3。实验表明,两种催化剂实验中的最佳投量均为0.01g/L,并且随着投量的增加,表现出了去除效率逐渐下降的效果,最佳pH为pH=7.7,的实验中,当pH高于催化剂pHPZC时,催化剂的效果下降。废水最佳浓度为0.5mg/L,随着DBP的浓度增加,DBP的去除效果下降,所有实验均符合一级反应动力学方程。水中常见的阳离子Na+、K+、Ag+在实验浓度下不会对实验效果产生较大的影响,阴离子Cl-、SO42-、PO43-中Cl-、SO42-对催化实验影响较小,PO43-将DBP在10min内的去除效果分别降低了25%和40%。实验分析了NiFe2O4在不同实验条件下催化臭氧分解率与降解DBP速率的关系,实验表明,DBP的降解速率与臭氧的平均分解率呈线性相关,实验分析了NiFe2O4在不同实验条件下催化臭氧分解率与降解DBP速率的关系,实验表明,在不同的催化剂MnFe2O4、NiFe2O4、ZnFe2O4和CuFe2O4,不同水溶液pH值(5.0-9.0)和不同的催化剂投量(0.002-0.1g/L)的条件下,DBP的降解速率和水溶液中羟基自由基的浓度的乘积与臭氧的平均分解率呈线性相关,这证明在不同的条件下,实验条件通过影响水溶液中羟基自由基的浓度来间接影响催化剂催化臭氧去除DBP的速率。借助于叔丁醇、催化剂前后XPS、FTIR对比等分析手段,并结合pH等实验结果,全面分析了臭氧在催化剂表面分解的过程,表明在pH=催化剂pHZPC的条件下,臭氧以五元环的形式结合于臭氧的表面羟基,并且由于催化剂中Ni离子+++??232NiNiNi和催化剂中O2-的氧化还原过程完成了整个催化臭氧分解过程以及催化剂的自我复原。实验表明本研究制备的催化剂具有高效性和高磁性等特点,稳定性好,可以作为一种催化臭氧的新型高效催化剂,有广泛的应用前景。

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第1章 绪论

1.1 环境激素微污染废水

1.2 邻苯二甲酸酯类污染废水的处理方法

1.3 强化臭氧氧化工艺及研究现状

1.4 课题研究的目的、意义和内容

第2章 实验方法及材料

2.1 实验药品与仪器

2.2 表征测试方法及仪器

2.3 分析测试方法

2.4 尖晶石催化剂催化臭氧降解DBP实验

第3章 尖晶石催化剂的制备和表征

3.1 催化剂的制备

3.2 催化剂的表征

3.3 本章小结

第4章 尖晶石催化臭氧去除水中DBP的研究

4.1 MnFe2O4及NiFe2O4催化剂催化臭氧实验

4.2 MnFe2O4及NiFe2O4投量对催化臭氧降解DBP的影响

4.3 DBP溶液浓度对MnFe2O4/NiFe2O4催化臭氧降解DBP的影响

4.4 叔丁醇（TBA）对MnFe2O4/NiFe2O4催化臭氧降解DBP的影响

4.5 溶液pH对MnFe2O4及NiFe2O4催化臭氧降解DBP的影响

4.6 溶液阴阳离子对MnFe2O4及NiFe2O4催化臭氧降解DBP的影响

4.7 MnFe2O4及NiFe2O4催化臭氧金属离子溶出及其反复利用

4.8 本章小结

第5章 催化剂催化臭氧分解率与DBP降解速率的探讨

5.1 不同催化剂催化臭氧一级反应速率和臭氧分解率的关系

5.2 MnFe2O4及NiFe2O4不同pH的一级反应速率和臭氧分解率的关系

5.3 MnFe2O4及NiFe2O4不同投量臭氧分解率和一级反应速率的关系

5.4 本章小结

第6章 镍铁氧体催化臭氧机理分析

6.1 不同磷酸盐浓度的影响

6.2 催化剂在反应前后的FTIR分析

6.3 催化剂在反应前后的XPS分析

6.4 催化剂在不同pH条件下的机理推测

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢