CUCO204和ZN-CU二元金属氧化物激活过硫酸钾降解苯酚机制的研究

摘要

近年来，二元金属氧化物AxB3-xO4在高级氧化过程中受到了广泛的关注，其中CuFe2O4、 CoFe2O4和CoMn2O4已被报道可激活过一硫酸钾(PMS)降解有机污染物。然而，截至目前，关于二元金属催化剂激活更加经济的过硫酸钾(PS)的报道还较少。除此之外，双金属催化剂激活PS/PMS过程中，每种金属在其中的催化作用仍然是限制我们深入理解其催化机制的主要问题。
　　研究发现，CuCo2O4和Zn-Cu二元金属氧化物在碱性条件下均展现出高催化活性，并且CuCo2O4和Zn1Cu2的催化活性随着pH的升高而增加;同时，100.0 mgL-1的苯酚在30 min可被1.0 g L-1 CuCo2O4和Zn1Cu2和1.0 g L-1 PS完全去除，其一级反应速率常数分别为1.64×10-1和6.72×10-1 min-1。尽管有报道称SO4·-和·OH对于苯酚的降解起到了主要作用，但我们的研究发现，在CuCo2O4激活PS过程中，加入5.0 M甲醇的掩蔽剂后，仍然有60％的苯酚被去除;而EPR分析进一步表明，此条件下并无SO4·-和·OH自由基的存在，因此非自由基机制对苯酚的降解具有更重要的贡献意义。XPS分析结果进一步指出，在CuCo2O4激活PS过程中，Co(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)可被PS氧化为Co(Ⅲ)和Cu(Ⅲ)，而这两种高价重金属同样可有效氧化苯酚。为进一步理解Co(Ⅲ)和Cu(Ⅲ)在苯酚降解过程中的贡献，我们设计了一系列配位实验、XPS和Raman分析。这些结果表明，被L-半胱氨酸还原后的Co(Ⅲ)或者被EDTA络合的Co(Ⅲ)均明显抑制了CuCo2O4的催化活性，而F-稳定Cu(Ⅲ)后的体系并未增加反应速率，因此我们认为Co(Ⅲ)的贡献意义高于Cu(Ⅲ)。
　　Zn1Cu2激活PS过程中，5.0 M乙醇掩蔽体系在反应60 min后仍出现了SO4·-和·OH自由基，说明Zn1Cu2激活PS体系中，自由基在其中也会起到重要作用。同时，将Zn(Ⅱ)替换为Mg(Ⅱ)和Ca(Ⅱ)，我们发现催化剂Mg1Cu2和Ca1Cu2均可激活PS降解苯酚。由于Mg(Ⅱ)和Ca(Ⅱ)并无催化活性，因此我们认为，Zn1Cu2的催化效果主要源于Cu。结合XPS分析，我们进一步证实了Zn1Cu2体系中出现了“Zn(Ⅲ)”和Cu(Ⅲ)，而“Zn(Ⅲ)”的存在仅代表了Zn(Ⅱ)与-O-O-结合生成的中间产物，并且Cu(Ⅲ)的贡献高于“Zn(Ⅲ)”。本研究首次发现了CuCo2O4和Zn1Cu2两类二元金属氧化物在碱性条件下可高效激活PS降解有机物，为碱性废水处理提供了重要的选择;同时，丰富了我们对碱性条件下PS活化机制的理解。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第二章 文献综述

2．1 高级氧化技术在有机废水中的应用

2．2 高级氧化技术的类型

2．2．1 Fenton氧化法

2．2．2 光催化氧化法

2．2．3 催化湿式氧化法

2．2．4 过硫酸盐氧化法

2．3 SO4·-的产生方式

2．3．1 热活化PS

2．3．2 紫外UV活化PS

2．3．3 碱活化PS

2．3．4 过渡金属离子活化PS

2．4 PS／PMS活化过程中非均相催化剂的类型

2．4．1 单金属催化剂

2．5 双金属催化剂

2．5．1 Co系双金属催化剂

2．5．2 Fe系双金属催化剂

2．6 非金属催化剂

2．7 选题依据

第三章 CuCo2O4激活PS降解苯酚机制的研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验药品

3．2．2 实验设备

3．3 实验方法

3．3．1 CuCo2O4的合成

3．3．2 苯酚的催化氧化实验

3．3．3 实验分析方法

3．3．4 CuCo2O4的表征

3．4 结果讨论

3．4．1 CuCo2O4的表征

3．4．2 CuCo2O4催化氧化苯酚

3．4．3 苯酚降解过程TOC测试

3．4．3 阴离子对催化氧化苯酚的影响

3．5 CuCo2O4降解苯酚机制的研究

3．5．1 掩蔽自由基对苯酚降解的影响

3．5．2 XPS表征分析

3．6 小结

第四章 Zn-Cu二元氧化物激活PS降解苯酚的机制的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验药品

4．3 实验方法

4．3．1 Zn-Cu二元氧化物的合成

4．3．2 Zn-Cu二元氧化物催化氧化苯酚

4．3．3 Zn-Cu二元金属氧化物的表征

4．4 结果与讨论

4．5 Zn-Cu二元金属氧化物催化剂催化氢化苯酚动力学

4．5．1 不同比例Zn-Cu二元金属氧化物催化氧化苯酚动力学

4．5．2 Zn1Cu2催化氧化苯酚动力学

4．6 Zn1Cu2催化氧化苯酚机制

4．6．1 掩蔽自由基对苯酚去除的影响

4．7 XPS表征分析

4．8 Zn1Cu2二元金属氧化物催化PS降解苯酚的机制

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢