α-Fe2O3晶面调控及用于非均相光芬顿催化降解特性研究

摘要

传统芬顿氧化技术存在pH适用范围窄、H2O2利用率不高以及铁离子难以回收利用而产生二次污染等缺陷，为了克服这些缺陷，在此基础上发展了非均相芬顿。非均相芬顿反应的主要特征是以含铁固相催化剂代替均相反应中的Fe2+，从而可以利用两相优势将催化剂从反应溶液中分离出来实现循环重复利用。并且由于将铁离子固定化，也可一定程度上避免由于反应过程产生大量铁泥而造成的二次污染问题，同时也能适当拓宽反应pH范围。但是由于固液两相的传质阻力，使得非均相芬顿催化活性大大降低。　　目前，大量研究表明通过控制催化剂晶体的生长实现其特定晶面的暴露，可以极大提高催化活性。但是大多数研究都集中在强调高能晶面的高比例暴露，而较少考虑不同晶面之间的相互影响及作用。在此基础上，本课题提出制备{110}/{113}晶面暴露的高活性催化剂α-Fe2O3，并研究其在非均相光芬顿反应体系中的降解特性，探索其催化氧化降解机理。　　在反应容积为30mL,前驱物FeCl3·6H2O浓度为33mmol/L,以及FeCl3·6H2O、NaH2PO4、NaF投加量为1∶1∶15时，采用水热合成法在180℃下反应24h，制备了具有高催化活性的α-Fe2O3催化剂，其性能测试实验显示，反应60min对甲基橙的去除率可达95%左右。其材料表征及实验数据表明，{110}/{113}晶面在催化剂表面得到有效暴露，且具有特定暴露比例下的协同作用。　　由于光照可以促进Fe3+/Fe2+循环，因此本课题构建了非均相光芬顿反应体系，在甲基橙初始浓度为40mg/L时，最佳反应条件为初始pH=5，H2O2用量为20mmol/L，催化剂投加量为200mg/L，紫外线剂量为57.6J/cm2，温度25℃±2。在该最佳反应条件下，反应20min、40min、60min甲基橙去除率分别可达42.93%、85.14%、97.83%。催化剂重复使用三次后，反应60min甲基橙去除率可保持在80%以上。第二次使用后达到稳定状态，此时铁离子最大溶出量仅占催化剂投加量中铁含量的3.58%，说明催化剂具有较好的重复利用稳定性。　　通过分析反应过程中H2O2的变化以及自由基捕获实验，证实了本课题构建的非均相光芬顿体系中，发挥降解关键作用的是羟基自由基和光生空穴，其催化氧化机制是非均相芬顿、光催化、均相芬顿共同作用。

目录

1 绪 论

1.1芬顿氧化技术

1.1.1 传统芬顿氧化技术简介及机理

1.1.2 传统芬顿氧化技术的优势及局限性

1.1.3 非均相芬顿氧化的特点

1.2.1 晶面催化

1.2.2 经典晶体生长理论

1.2.3 定向暴露晶面

1.3.1 α-Fe2O3的结构简介

1.3.2 α-Fe2O3晶面调控在芬顿氧化中的应用

1.4目标污染物-甲基橙（MO）

1.5.1 课题研究的目的和意义

1.5.2 课题研究的主要内容

1.5.3 课题研究的技术路线

1.5.4 课题研究的创新点

2 实验材料与方法

2.1.1 实验药品

2.1.2 实验仪器

2.2.1 实验装置

2.2.2 非均相光芬顿降解甲基橙

2.3分析检测方法

2.3.1 甲基橙浓度的测定方法

2.3.2 水中铁离子浓度的测定

2.3.3 水中 H2O2浓度的测定

2.4催化剂物化性质表征

2.4.1 X-射线衍射分析（XRD）

2.4.2 透射电子显微镜（TEM/HRTEM）

2.4.3 紫外可见固体漫反射（UV-vis DRS）

2.4.4 傅里叶变换红外光谱（FTIR）

3 {110}/{113}晶面暴露的 α-Fe2O3制备与表征

3.1催化剂的制备方法

3.2催化剂制备影响因素

3.2.1 前驱物浓度的影响

3.2.2 NaF投加量的影响

3.2.3 NaH2PO4投加量的影响

3.2.4 反应温度的影响

3.3催化剂表征

3.3.1 α-Fe2O3的 XRD表征

3.3.2 α-Fe2O3的 TEM/HRTEM表征

3.3.3 α-Fe2O3的 FTIR表征

3.3.4 α-Fe2O3的 UV-vis DRS表征

3.4本章小结

4 α-Fe2O3晶面调控在非均相光芬顿体系中降解特性研究

4.1.1 H2O2用量的影响

4.1.2 催化剂投加量的影响

4.1.3 初始 pH的影响

4.1.4 甲基橙初始浓度的影响

4.2催化剂的稳定性

4.2.1 催化剂重复利用性

4.2.2 催化剂铁离子溶出

4.3本章小结

5 晶面调控非均相光芬顿降解甲基橙的机理研究

5.1H2O2的消耗分析

5.2自由基捕获实验

5.2.1 叔丁醇捕获羟基自由基实验

5.2.2 对苯醌捕获超氧自由基实验

5.2.3 草酸钠捕获空穴实验

5.3α-Fe2O3晶面调控非均相光芬顿催化氧化机制

5.4本章小结

6 结论与建议

6.1结论

6.2建议

参考文献

附录

A. 学位论文数据集

致谢