新型Fe-(La,Ti,Mn)负载粘土催化剂的制备及其去除水污染物的性能研究

摘要

水是生命之源。干净的饮用水对于人体健康和疾病预防而言，是仅次于空气的重要基础条件之一。粘土及改性粘土因其廉价、高效的特点，被广泛地应用于去除水中污染物的研究。本文采用简单易行的沉淀法合成了多种 Fe-Ti，Fe-Mn，Fe-La柱撑蒙脱石及高岭土的复合材料，通过 XRD，TGA，SEM，XPS，FTIR，TEM和氮气吸附脱附等多种表征手段，分析了其物相组成，比表面积及微观结构等特征。同时，通过模拟的含铬废水和多种染料废水对所制备材料的吸附及催化性能进行了研究
　　（1）采用简单的沉淀法制备了具有吸附及光催化双功能的 Ti-Fe柱撑高岭土复合材料。XRD和TEM结果表明，金红石相TiO2和无定性态Fe存在于所合成的复合材料中。氮气吸附脱附结果表明，经 Ti-Fe柱撑后高岭土的比表面积提高了5.5倍。将合成的复合材料应用于Cr(VI)的去除，结果表明，所制备的Ti-Fe柱撑高岭土复合材料在酸性条件下对Cr(VI)的去除效果更好，在溶液pH值为3.0时，对Cr(VI)的去除率可达87％。研究还发现，可见光照射下复合材料对 Cr(VI)的去除效果显著提高，并大大缩短了反应平衡所需时间。这可能是由于在可见光照射下，Cr(VI)被 TiO2还原成 Cr(III)，同时形成了 Fe(III)/Fe(II)的氧化还原循环反应体系。通过探讨所制备复合材料在不同常见离子共存情况下对 Cr(VI)的去除效果，结果表明该复合材料对Cr(VI)的去除性能具有很高的稳定性。此外，采用吸附和动力学模型，对 Ti-Fe柱撑高岭土复合材料去除Cr(VI)的过程进行了研究
　　（2）采用简单的沉淀法合成了La-Fe柱撑蒙脱石的复合材料（La-Fe MMT），通过固定床去除染料实验对材料在 Fenton体系中的催化性能进行了研究。XPS，XRD和HRTEM测试结果证实了La-Fe MMT材料中Fe2O3和La2O3的存在。La的存在有效提高了 La-Fe MMT材料在中性条件下催化降解染料的性能，并抑制了 Fe的浸出，增长了材料的使用寿命。在温度为298K，pH值为6.80-7.13的条件下，La-Fe MMT在 Fenton体系中对初始浓度均为100 mg/L的甲基蓝（ MB）和罗丹明 B（RhB）溶液的去除率在1 h内可分别达到97%和96%。在固定床实验中连续使用200 h后，该复合材料对 MB的降解率仍然达到了91%，对应 COD去除率高达65%。探讨了不同实验参数对 La-Fe MMT降解染料效果的影响，包括溶液 pH，催化剂投加量，H2O2投加量，反应温度等。动力学实验表明 La-Fe MMT在 Fenton体系中降解MB和RhB的过程符合准一级动力学模型，计算得到其降解MB和RhB的反应活化能分别为22.4和14.7 kJ mol?1。荧光捕获实验表明?OH是该反应体系降解染料过程中的主要活性物种。本研究所制备的 La-Fe MMT材料性价比高，环保，且在Fenton体系中具有很好的活性，很高的稳定性，较低的铁浸出率以及较高的H2O2利用率，作为一种高效绿色催化剂，对染料废水的处理中具有很大的应用潜力。
　　（3）采用简单易行的沉淀法制备得到了 Fe-Mn柱撑蒙脱石的异相 Fenton催化剂（Fe-Mn MMT），并研究了其同时去除 Cr(VI)和 MB的催化性能。XPS，XRD和HRTEM测试结果证实了 Fe-Mn MMT材料中 Fe2O3和 MnO2的存在。Cr(VI)和 MB的去除可以归因于 Fe-Mn MMT非均相 Fenton体系中?OH的生成。MnO2与 H2O2作用形成的 Mn(IV)/Mn(II)氧化还原循环体系及 Cr(VI)还原成 Cr(III)的过程中均产生了?OH。探讨了不同实验条件下Fe-Mn MMT对去除Cr(VI)和MB的效果，包括Cr(VI)和 MB溶液的初始浓度，催化剂投加量，H2O2投加量，溶液 pH等。结果表明，Fe-Mn MMT在很宽的pH值范围内对MB均有很好的去除效果，而只在较低的pH值范围内对 Cr(VI)具有较高的去除效率。在催化剂投加量为0.75 g/L，H2O2投加量为40 mM，pH值为4的条件下，Fe-Mn MMT对MB和Cr(VI)的去除率分别达到99.3%和96.65%，对应COD去除率为65%。此外，利用捕获实验和XPS测试手段探讨了Fe-Mn MMT材料同时降解MB和Cr(VI)的相关机理.

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CHAPTER 1 Introduction

1.1 Introduction

1.2 Clays

1.3 Application of clays and clays based materials

1.4 Clays and clays based catalyst/adsorbent for water treatment.

1.5 Clays based catalyst, for dyes removal

1.6 Conclusion and prospects

1.7 Research aims and contents

CHAPTER 2 Fenton degradation of organic dyes using La-Fe montmorillonite as heterogeneous catalyst

2.1 Introduction

2.2 Experimental

2.3 Results and discussion

2.4 Conclusions

CHAPTER 3 Preparation and characterization of bifunctional Ti-Fe kaolinite composite for Cr(VI) removal

3.1 Introduction

3.2 Materials and Methods

3.3 Results and Discussion

3.4 Conclusions

CHAPTER 4 Simultaneous removal of hexavalent chromium and organic dyes from aqueous medium using Fe-Mn supported montmorillonite

4.1 Introduction

4.2 Experimental

4.3 Results and discussion

4.4 Simultaneous removal of MB and Cr(VI)

4.5 Effects of parameters on the degradation of MB and Cr(VI) by the Fe-Mn MMT

4.6 Stability of the Fe-Mn MMT

4.7 Mechanism discussion

4.8 Conclusions

CHAPTER 5 Summary and Future Work

5.1 Summary

5.2 Future work

参考文献

致谢

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