改性焦炭负载纳米Fe3O4磁性水处理剂的制备和吸附-催化性能研究

摘要

工业有机废水含有显著危害环境的有机质，具有成分复杂、色度高、毒性大、难降解等特点，传统的处理方法对此类污染物降解效果不理想。随着2015年“水十条”的颁布，对工业有机废水的的深度处理以达到排放标准甚至实现“零排放”的要求日益迫切。非均相Fenton催化技术作为一种新型高级氧化技术应用于处理有机废水受到广泛关注，而如何开发出一种高效、绿色且易于制备的水处理剂是实现这种技术工业化应用的关键。本文采用原位氧化沉淀法将纳米Fe3O4颗粒负载于改性焦炭上，制备出一种新型纳米Fe3O4/改性焦炭磁性水处理剂，重点考察了改性焦炭及纳米Fe3O4/改性焦炭的制备以及其对有机废水的吸附、降解过程与机理，研究结果如下:
　　(1)通过正交试验极差分析确定了改性焦炭的最佳制备条件:碱炭比为4∶1，活化温度为850℃，活化时间为1.5h。制得最佳改性焦炭的比表面积由改性前4m2·g-1提高至298m2·g-1，其表面粗糙，孔结构发达，以微孔和中孔为主，灰分由12.04％降至7.87％，挥发分由1.23％提高至7.10％，含氧官能团增多，石墨化度降低。改性焦炭对罗丹明B的吸附过程符合准二级动力学模型，在温度25℃下吸附进行4h时基本达到吸附平衡，其饱和吸附量由改性前13.03mg·g-1提高至73.01mg· g-1。Langmuir等温吸附模型较好的反映改性焦炭对罗丹明B的吸附结果，改性焦炭对罗丹明B有很好的亲和性，吸附过程是自发进行的且为吸热反应，具有较好的吸附性能和负载功能。
　　(2)通过原位氧化沉淀法制备的Fe3O4/MC磁性水处理剂的最佳负载量为40％，Fe3O4以化学键结合的方式负载于改性焦炭上，且分散性良好，改性焦炭有利于减小Fe3O4粒径，Fe3O4平均粒径由负载前180nm降至90nm。Fe3O4/MC磁性水处理剂零点电位为7.40，具有超顺磁性，其饱和磁化强度为40.85emu·g-1，容易磁分离。在磁性水处理剂投加量为1.0g·L-1，初始H2O2浓度为50mmol·L-1，初始pH为3.0，温度25℃的条件下，Fe3O4/MC磁性水处理剂降解罗丹明B属于拟一级反应，速率常数k为0.035min-1，100min内Fe3O4/MC磁性水处理剂、Fe3O4/焦炭及Fe3O4对罗丹明B去除率分别为96.86％、49.00％和28.60％，纳米Fe3O4与改性焦炭存在协同作用，显著提高了Fe3O4/MC磁性水处理剂的催化降解性能。
　　(3)Fe3O4/MC磁性水处理剂对罗丹明B的吸附过程符合准二级动力学方程，在温度为25℃条件下的饱和吸附量为39.71mg·g-1，Langmuir等温吸附模型较好的反映了其对罗丹明B的吸附结果，吸附属于吸热过程且自发进行的。Fe3O4/MC磁性水处理剂在较宽的pH范围内对罗丹明B有较高的吸附量，当投加量为4.0g·L-1时，吸附去除率达到98.32％。
　　(4)Fe3O4/MC磁性水处理剂催化降解罗丹明B的最佳条件为:Fe3O4/MC磁性水处理剂投加量为0.8g·L-1，初始H2O2浓度为30mmol·L-1，初始pH为3.0，温度为35℃。在该条件下90min内罗丹明B和CODCr去除率分别为98.85％和93.08％。Fe3O4/MC磁性水处理剂有良好的稳定性，Fe的溶出量较低，易磁分离回收重复使用。
　　(5)将所制备的Fe3O4/MC磁性水处理剂应用于二沉池焦化废水的深度处理，在Fe3O4/MC磁性水处理剂投加量为1.2g·L-1，初始H2O2浓度为60mmol·L-1，初始pH为3.0，温度为45℃的条件下处理3h后，CODCr由220mg·L-1降至55.78mg·L-1，UV254由2.548降至0.103，去除率分别达到74.59％和95.56％。Fe3O4/MC磁性水处理剂重复使用性好，Fe溶出量低，在其重复使用4次中，处理后的焦化废水CODCr在55.78～78.51mg·L-1之间，色度在5～30倍之间，达到GB/T16171-2012排放标准。
　　以上研究结果表明:通过原位氧化沉淀法将改性焦炭与Fe3O4复合制备出集吸附-催化-易磁分离于一体的磁性水处理剂，应用于焦化废水的深度处理，不仅可达到排放标准，且循环使用无污染，为有机废水的深度处理提供了一种新方法。

目录

声明

摘要

1．1 工业有机废水

1．1．1 工业有机废水的来源、特点及危害

1．1．2 工业有机废水的深度处理技术

1．2 非均相Fenton技术

1．2．1 非均相Fenton技术原理

1．2．2 非均相Fenton技术特点

1．3 纳米磁性催化剂

1．3．2 纳米Fe3O4的制备方法

1．4 磁性复合催化剂的研究概况

1．4．1 磁性复合催化剂的制备

1．4．2 载体材料的研究概况

1．4．3 载体材料的改性

1．5 本论文研究意义与内容

1．5．1 本论文研究意义

1．5．2 本论文研究内容

第2章 改性焦炭的制备与性能研究

2．1 材料与方法

2．1．1 实验试剂与仪器

2．1．2 改性焦炭的制备

2．1．4 分析测试方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 改性焦炭的最佳制备条件

2．2．2 改性焦炭的表征分析

2．2．3 吸附动力学

2．2．4 吸附等温线

2．2．5 吸附热力学

2．3 本章小结

第3章 纳米Fe3O4／改性焦炭的制备与表征

3．1 材料与方法

3．1．1 实验试剂与仪器

3．1．2 纳米Fe3O4／改性焦炭的制备

3．1．4 分析测试方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 纳米Fe3O4／改性焦炭最佳负载量及其催化性能

3．2．2 纳米Fe3O4／改性焦炭的表征分析

3．3 本章小结

第4章 纳米Fe3O4／改性焦炭的吸附性能研究

4．1 材料与方法

4．1．1 实验试剂及仪器

4．1．2 纳米Fe3O4／改性焦炭对罗丹明B的吸附实验

4．2 结果与讨论

4．2．1 吸附动力学

4．2．2 吸附等温线

4．2．3 吸附热力学

4．2．4 pH的影响

4．2．5 纳米Fe3O4／改性焦炭投加量的影响

4．3 本章小结

第5章 纳米Fe3O4／改性焦炭的催化性能研究

5．1 材料与方法

5．1．1 实验试剂与仪器

5．1．3 分析测试方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 纳米Fe3O4／改性焦炭对罗丹明B降解过程的影响因素

5．2．2 纳米Fe3O4／改性焦炭对罗丹明B降解过程分析

5．2．3 纳米Fe3O4／改性焦炭的重复使用性

5．3 本章小结

第6章 纳米Fe3O4／改性焦炭深度处理焦化废水

6．1 材料与方法

6．1．1 实验试剂与仪器

6．1．3 分析测试方法

6．2 结果与讨论

6．2．1 纳米Fe3O4／改性焦炭对焦化废水降解过程的影响因素

6．2．2 纳米Fe3O4／改性焦炭对焦化废水降解过程分析

6．2．3 纳米Fe3O4／改性焦炭循环降解焦化废水

6．3 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文