离子热法合成Fe3O4磁性纳米颗粒及在多相Fenton反应中的应用研究

摘要

随着印染工业的迅猛发展，印染废水已成为环境问题中的一个重要课题。近年来，由于Fe3O4的类酶催化活性的发现，将其作为类Fenton高级氧化技术的催化剂用来处理印染废水成为研究热点。然而利用离子热法合成具有较高催化性能且可多次循环利用的Fe3O4磁性纳米颗粒鲜有报道。因此，本文首次利用离子热氧化法成功合成了粒径约10.4 nm的Fe3O4磁性纳米颗粒，并以对罗丹明B溶液的催化降解性能为评价指标，对其合成条件及催化条件进行了优化。而后，在此基础上，利用离子热法以Cu掺杂方式合成了具有更高催化降解性能的Cu-Fe3O4，研究了Cu的存在形态，并在催化过程中考虑了相关环境因子对降解过程的影响。研究内容如下：
　　(1)探索了不同碱源、铁源在氯化胆碱/尿素低共熔混合物中的溶解性，对离子热氧化法、离子热共沉淀法、离子热还原法三种不同离子热法合成的Fe3O4磁性颗粒的配方进行了优化，分别使用XRD、SEM、VSM、FTIR、铁含量分析等技术对产物的相关性质进行了表征。结果表明，80 oC时KOH在氯化胆碱/尿素组成的低共熔混合物中有较大的溶解度，可作为离子热法合成Fe3O4的碱源；三种无机铁化合物(FeSO4?7H2O、FeCl2?4H2O、FeCl3?6H2O)均可作为离子热法合成Fe3O4的铁源。离子热还原法仅能制备出不规则的Fe3O4微米颗粒，而离子热氧化法与离子热共沉淀法均能制备出平均粒径较小、饱和磁场强度较大、剩磁与矫顽力较小的Fe3O4磁性纳米颗粒，更有利于应用于磁分离。
　　(2)对比离子热氧化法、离子热共沉淀法、离子热还原法、水热氧化法、溶剂热还原法五种不同方法制备的Fe3O4样品对罗丹明B的催化降解效果，筛选出了具有最佳催化性能的Fe3O4样品作为研究对象，考察了不同因素对其催化降解效果的影响，初步探讨其催化降解机理，并研究其循环利用性能。结果表明，由离子热氧化法所得的Fe3O4(记为OP-DES-Fe3O4)对罗丹明B具有最好的催化降解效果。在0.01 mmol/L罗丹明 B溶液中，加入40 mmol/L H2O2、0.5 g/L OP-DES-Fe3O4，在55 oC、pH6.4的条件下预吸附15min后，经过2 h催化降解脱色率达97.8％、反应速率为0.0293 min-1、反应活化能为52.25 kJ/mol、COD去除率为66.3%。Fe3O4对罗丹明B的降解主要通过催化H2O2分解生成?OH自由基，反应速率与其表面活性位点成正比。同时，OP-DES-Fe3O4催化剂具有较好的重复使用性能，经过6次催化循环后罗丹明B溶液的脱色率仍达98.8%,反应速率为0.037 min-1。
　　(3)为了进一步提高材料的催化降解性能，利用离子热氧化法制备了 Cu掺杂Fe3O4磁性纳米颗粒(Cu-Fe3O4)，并用XRD、VSM、XPS等技术表征了所得材料及Cu的存在形态，表明Cu-Fe3O4为纯立方反尖晶石结构，其中铜以二价铜(Cu2+)形式存在。考察了不同因素(Cu掺杂量、H2O2浓度、RhB浓度)对 Cu-Fe3O4-2(2代表Fe/Cu的摩尔比为20:1)催化降解性能的影响、Cu-Fe3O4-2的循环使用性能及其在实际土壤溶液中的应用。在0.01 mmol/L罗丹明B溶液中，加入40 mmol/L H2O2、0.5 g/L Cu-Fe3O4-2，在室温(25 oC)、pH6.4经过2 h对RhB溶液的脱色率为95.2%，反应速率为0.0247 min-1。Cu-Fe3O4-2具有较好的循环性，前4次循环降解脱色率均超过94%，且反应速率高于0.0218 min-1。而在土壤体系中，Cu-Fe3O4对RhB的降解效果略有下降，脱色率为94%，反应速率为0.0224 min-1。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 染料废水的污染概述

1.2染料废水的处理方法

1.3 Fe3O4磁性纳米材料

1.4低共熔混合物的研究进展

1.5本论文的研究意义和研究内容

第2章 离子热法合成Fe3O4磁性纳米颗粒

2.1引言

2.2实验方法

2.3 分析方法

2.4 实验结果与讨论

2.5 本章小结

第3章Fe3O4 MNPs在催化降解罗丹明B废水中的应用研究

3.1引言

3.2实验方法

3.3 分析方法

3.4 实验结果与讨论

3.5 本章小结

第4章Cu-Fe3O4的制备及其催化性能研究

4.1引言

4.2实验方法

4.3 分析方法

4.4实验结果与讨论

4.5本章小结

第5章 全文总结及展望

5.1全文总结

5.2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间已发表论文

致谢