羟基铁蒙脱石界面在Photo-Fenton反应中的机理研究

摘要

随着有机染料工业的快速发展,大量的工业染料废水进入水体导致水体中的有机污染日益严重。以丰富、廉价的蒙脱石为载体制备新型的非均相Photo-Fenton催化剂对缓解目前的染料废水污染问题及研究水环境的自我修复技术都有一定价值。研究自然界普遍存在的氧化铁矿物及蒙脱石矿物表面功能基团在不同酸碱条件下的表面化合态,分析不同催化剂表面化合态对吸附及催化性能的影响,探讨羟基铁在蒙脱石上的负载方式及固定化后在Fenton反应中的催化作用效果,为催化过程中的铁基催化剂的界面作用的研究提供参考。
　　 本文以羟基铁作为原料,钠基蒙脱石为载体,制备出羟基铁蒙脱石粉体,以罗丹明-B水溶液为目标物,研究了针铁矿、钠基蒙脱石及羟基铁蒙脱石对水中有机染料的界面吸附及催化降解的效果;同时运用表面络合理论,研究水溶液中不同质子浓度条件下上述矿物催化材料表面功能基化合态分布状况,结合相应条件下催化材料的吸附及催化能力,分析两者之间的相互关系,探讨羟基铁蒙脱石在吸附及降解过程中矿物的界面作用机制。论文主要的结论如下:
　　 (1)实验结果表明采用双位模式对羟基铁蒙脱石表面酸碱滴定数据的拟合明显优于单位模式。单位模式能够较适用于针铁矿类单一基团的表面酸碱滴定,对蒙脱石类的酸碱滴定的拟合程度较差,双位模式考虑了SiOH及AIOH活性的不同,解决了蒙脱石上多种基团对质子的接受能力不等的问题,较适用于蒙脱石的酸碱滴定的拟合;蒙脱石较高的阳离子交换容量也会对酸碱滴定实验产生偏移。
　　 (2)分析上述材料由于pH导致的表面功能基化合态变化,对罗丹明-B在上述材料上的吸附机理进行了探讨。在试验范围内(pH=3～7),罗丹明-B主要以离子形态存在,既可以与矿物表面的质子态＞FeOH+2发生静电吸附反应,又可以通过氢键作用,同针铁矿表面的中性态＞FeOH发生表面络合吸附反应,其中静电吸附反应占主要地位。
　　 (3)罗丹明-B在针铁矿上的静态吸附及光催化降解的实验表明:在除pH外其他因素都适宜的条件下,在pH=3～7范围内,针铁矿对罗丹明-B的吸附能力随pH的升高而减小;其光催化降解能力也随pH的升高而减小,原因在于针铁矿表面＞FeOH+2即有利于与对离子态罗丹明-B(R±)的静电吸附,同时有利于防止在催化降解过程中双氧水歧化生成超氧基从而降低羟基自由基的产量。
　　 (4)通过研究针铁矿及羟基铁蒙脱石在不同pH条件下的光催化降解效果,结合其在不同pH条件下的表面基团分布情况,分析了在非均相photO-Fenton体系中的催化降解机理,本项目研究的催化体系中的＞FeOH+2功能基上更易于形成化学能更低的络合物,有利于矿物表面光催化反应的进行。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 非均相Photo-fenton反应研究进展及现状

1.1.1 均相Fenton及Photo-Fenton反应的发展

1.1.2 非均相Fenton反应的发展及现状

1.2 蒙脱石柱撑发展概述

1.2.1 蒙脱石的结构特征

1.2.2 蒙脱石的物化特征

1.2.3 蒙脱石及柱撑蒙脱石的催化运用

1.3 矿物表面电荷性质对其吸附影响的发展研究

1.3.1 矿物表面物理化学理论基础

1.3.2 表面络合模型

1.3.3 矿物表面电荷对吸附影响的研究现状

1.4 课题的研究目的、意义和研究内容

1.4.1 研究的目的和意义

1.4.2 研究目标和内容

第2章 针铁矿表面状态与吸附及催化效果之间的关系研究

2.1 实验部分

2.1.1 材料和试剂

2.1.2 针铁矿的表征

2.1.3 针铁矿对罗丹明的吸附与催化实验

2.1.4 实验分析测定方法

2.2 结果与讨论

2.2.1 针铁矿的结构特征

2.2.2 FeOOH在水溶液中吸附降解有机物的机理

2.2.3 罗丹明-B在不同酸碱条件下的分布分析

2.2.4 针铁矿表面酸碱滴定分析

2.2.5 针铁矿对罗丹明-B的吸附催化机理研究

2.3 小节

第3章 蒙脱石表面形态与吸附及催化效果之间的关系研究

3.1 实验部分

3.1.1 材料和试剂

3.1.2 蒙脱石的提纯及钠化

3.1.3 铁柱撑蒙脱石的制备

3.1.4 蒙脱石的表征

3.1.5 蒙脱石对罗丹明的吸附与催化实验

3.1.6 实验分析测定方法

3.2 结果与讨论

3.2.1 蒙脱石的结构特征

3.2.2 钠基蒙脱石表面酸碱滴定分析

3.2.3 羟基铁蒙脱石表面酸碱滴定实验

3.2.4 蒙脱石及铁柱撑蒙脱石对罗丹明-B的吸附催化机理研究

3.3 小节

第四章 钠基蒙脱石及羟基铁蒙脱石吸附动力学研究

4.1 钠基蒙脱石及羟基铁蒙脱石的吸附动力学

4.2 钠基蒙脱石及羟基铁蒙脱石吸附等温模型

4.2.1 Langmuir等温吸附平衡模型

4.2.2 Freundlich等温吸附平衡模型

4.3 小结

第五章 结论

5.1 结论

5.2 存在的问题与展望

参考文献

致谢

论文发表情况