铁钴水滑石活化过一硫酸盐降解罗丹明B的研究

摘要

近年来，基于强氧化性的硫酸根自由基（SO4ˉ·）的高级氧化法处理难降解有机污染物技术受到了广泛的关注与研究。由于SO4ˉ·拥有更加高的氧化还原电位，矿化有机物的程度深，反应条件温和，不需要严格地控制pH范围以及在反应后没有大量沉淀物需要处理、操作更加便捷等优点，使其在有机物降解过程中较传统羟基（OH·）更有优势。在众多的氧化剂中，自身氧化性较强且具有不对称结构的过一硫酸氢钾（PMS）通常被选作为SO4ˉ·的前驱体。最常采用的催化氧化方式是均相催化的Co2+/PMS体系，但是溶液中的催化剂Co2+不易回收且Co2+对生态环境易造成潜在的二次污染和生物毒性等问题，严重限制了该技术在实际中的推广应用。而非均相催化氧化技术是将催化剂以固态形式投入在体系中，避免了金属离子直接与有机污染物发生反应而析出的问题。本研究将Co与Fe通过双滴-共沉淀法合成为一种高效稳定的非均相催化剂——铁钴水滑石（Fe/Co-LDH），利用Fe/Co-LDH催化活化PMS产生SO4ˉ·，从而快速高效降解染料废水中的罗丹明B（RhB）。在较短的反应时间（10min）内，非均相体系Fe/Co-LDH/PMS较均相体系对RhB表现出更高的降解效率。同时，本课题还探讨了不同实验参数条件下（温度、pH、PMS和Fe/Co-LDH的使用量以及初始RhB的浓度），非均相Fe/Co-LDH催化氧化体系对RhB的去除，并对体系中起主要降解作用的活性基团、RhB降解机理进行了阐明。
　　（一）合成高效非均相催化剂Fe/Co-LDH
　　采用双滴-共沉淀法制备了不同Fe/Co比率的Fe/Co-LDH。通过XRD、FT-IR、SEM、TEM、XPS等技术对制得的Fe/Co-LDH进行表征分析。结果表明Fe/Co比率1:2条件下制得的Fe/Co-LDH结构最佳，呈现出典型六面形层状水滑石结构；FT-IR结果显示出所制得的催化剂中并没有其他金属杂质的掺杂；XPS图谱结果表明Fe/Co-LDH中Co、Fe金属主要是以二价（Co2+）、三价(Fe3+)的形态存在，这些结果表明本实验成功合成了一种晶型结构较好的非均相催化剂Fe/Co-LDH。
　　（二）Fe/Co-LDH/PMS体系有效降解染料废水中的罗丹明B
　　将合成的Fe/Co-LDH作为非均相催化剂应用到Fe/Co-LDH/PMS体系降解染料废水中罗丹明B，Fe/Co-LDH展现出了很高的催化活性。最佳反应条件为：室温条件下，初始RhB浓度20mg/L，溶液中性，催化剂投加量0.02g/L，氧化剂投加量0.015g/L。在此条件下，RhB完全降解仅仅需要短短的10min，而且降解反应符合伪一级动力学，计算活化能为59.71kJ/mol。
　　（三）Fe/Co-LDH/PMS体系的反应机理与Fe/Co-LDH稳定性
　　在Fe/Co-LDH/PMS体系中，通过自由基捕获试验证明在RhB降解过程中存在着SO4ˉ·、OH·以及SO5ˉ·三种自由活性基团，其中SO4ˉ·起着主导降解作用。Fe/Co-LDH中的Fe、Co在不同价态间的转换氧化还原反应使得PMS在短时间内被活化激发产生大量的SO4ˉ·，从而RhB被快速高效的降解。将催化剂循环使用四次后，催化剂仍表现出较高的催化活性，表明催化剂良好的稳定性。研究还表明在不同水质的条件下，Fe/Co-LDH/PMS体系对RhB依然维持着超高的降解效率。这些结果说明着Fe/Co-LDH/PMS体系是一种高效、绿色环保、具有实际应用前景的新型高级氧化技术。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 高级氧化技术

1.2.1 高级氧化技术的概念

1.2.2 高级氧化技术的特点与分类

1.2.3 几种典型的高级氧化技术

1.3 基于硫酸根自由基的新型高级氧化技术

1.3.1 硫酸根自由基的反应机理与产生方式

1.3.2 水滑石的概述

1.4 论文研究内容及主要内容

第2章 实验材料与制备方法

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验仪器

2.2 实验方法

2.2.1 Fe/Co水滑石的制备

2.2.2 水滑石的表征

2.3 试验分析方法

2.3.1 标准曲线绘制及模拟废水的配置

2.3.2 催化降解实验

第3章 Fe/Co-LDH结构表征

3.1 引言

3.2 Fe/Co-LDH的表征

3.2.1 XRD分析

3.2.2 FT-IR分析

3.2.3 SEM与TEM分析

3.2.4 XPS分析

3.3 本章小结

第4章 Fe/Co-LDH/PMS体系降解RhB的实验研究

4.1 引言

4.2 结果与讨论

4.2.1 不同降解体系与Fe/Co比率对RhB降解速率的影响

4.2.2 温度和溶液pH对RhB降解速率的影响

4.2.3 PMS与催化剂的投加量对RhB降解速率的影响

4.2.4 RhB的初始浓度对RhB降解速率的影响

4.3 RhB的降解机制中的自由基淬灭实验研究

4.4 催化剂的重复性使用和实际应用

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的论文目录

致谢