双反应中心类芬顿催化剂CN--Cu(Ⅱ)--CuAlO2制备及对双酚A的降解研究

摘要

双酚A(BPA)广泛应用于塑料工业，因为其广泛使用已经对水体有一定的污染，而作为一种内分泌干扰素通过食物链的富集，对人和动物均产生严重危害。但是通过传统的水处理工艺难以去除，而多相类芬顿催化技术对其是一种有效处理方法。由于目前多相类芬顿催化剂存在中性条件下催化活性差、催化剂稳定性差以及H2O2利用率低等问题，因此，有必要对多相类芬顿催化理论深入研究和催化剂改良。 本研究中采用两步高温煅烧合成出了复合材料CN-Cu(Ⅱ)-CuAlO2，并通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外转换光谱、X射线光电子能谱、密度泛函理论计算等表征手段来研究材料形貌和结构。分析结果表明，在对CuAlO2进行有机配体结合过程中发生化学反应，其表面大量有Cu2+生成，表面形成的配体是C元素大量取代g-C3N4上的N元素但其基本骨架未变有机体，有机配体CN与CuAlO2通过Cu-O-C这个特殊键桥进行连接。通过EPR和密度泛函理论计算结果，证实了大量自由电子富集在Cu原子周围，在Cu原子处形成了富电子的反应中心，而在CN芳香环上的C原子处的电子缺失较大，因而在C原子处形成了缺电子反应中心，并且CN-Cu(Ⅱ)-CuAlO2上自由电子通过Cu-O-C将C原子处的自由电子转移到Cu原子处。 将CN-Cu(Ⅱ)-CuAlO2用于降解水体中BPA，在相同的实验条件下，CN-Cu(Ⅱ)-CuAlO2对BPA的降解速率分别是g-C3N4和CuAlO2的45与25倍，其对H2O2有较高的利用率。一系列表征证实了在反应中，有机污染物主要与催化剂表面的缺电子中心C位点发生反应，其被夺去自由电子而被氧化，而H2O2则在Cu位点得到电子被还原，产生·OH。该催化剂在经过六次循环试验后，对BPA的去除率均保持在90％以上，说明该催化剂的结构较为稳定，具有较好的催化活性稳定性。 本研究制备的催化剂从理论上突破了传统芬顿催化剂的不足，对多种有机物均具有较高的去除效果，为多相类芬顿催化技术的发展提供一些新思路。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2芬顿催化的发展及原理

1．2．1芬顿催化的发展历程

1．2．2芬顿催化原理

1．3新型双反应中心类芬顿催化剂的研究进展

1．3．1理论基础

1．3．2偏铝酸铜

1．3．3络合配体材料

1．4多相芬顿催化技术在水处理领域中的应用

1．4．1废水处理

1．4．2饮用水处理

1．5研究意义与内容

1．5．1研究意义

1．5．2研究内容与技术路线图

第二章材料与方法

2．1实验仪器与试剂

2．2催化剂的制备

2．2．3 CN-Cu(Ⅱ)-CuAlO2的制备

2．3表征方法

2．3．4 X射线光电子能谱(XPS)分析

2．3．5傅里叶转换红外光谱(FTIR)分析

2．3．6电子顺磁共振(EPR)分析

2．4实验方法

2．4．1催化剂的活性评价实验方法

2．4．2催化剂稳定性评价实验方法

2．5．2金属元素浓度检测

2．5．3总有机碳(TOC)分析

2．5．6傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析

2．6密度泛函理论(DFT)计算

2．6．1理论计算方法

2．6．2结果分析方法

第三章CN-Cu(Ⅱ)-CuAlO2的表征与分析

3．1催化剂结构分析

3．1．1 x射线粉末衍射分析

3．1．2 X射线光电子能谱分析

3．1．3催化剂表面自由电子分析

3．1．4密度泛函理论(DFT)计算

3．2催化剂形貌分析

3．2．1场发射扫描电镜分析

3．2．2透射电子显微镜分析

3．3本章小结

第四章CN-Cu(Ⅱ)-CuAlO2对BPA的降解研究

4．1降解BPA的性能与影响因素分析

4．1．1催化剂的催化性能优化

4．1．2催化条件优化

4．1．3各组成成分降解BPA的性能分析

4．1．4 pH对催化降解BPA影响分析

4．1．5降解高浓度BPA的催化性能

4．1．6催化剂的稳定性分析

4．2 CN-Cu(Ⅱ)-CuAlO2降解BPA机理研究

4．2．1 H2O2利用率

4．2．2降解BPA过程中活性物种分析

4．2．3反应前后催化剂表面电子分析

4．2．4催化剂与BPA的作用方式

4．2．5催化剂降解BPA的作用机理分析

4．3本章小结

第五章结论与展望

5．1结论

5．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢