负载金属炭基催化剂的原位制备及其活化过硫酸盐降解X--3B的研究

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我国印染业的发展加大了染料废水的排放,同时由于染料种类日益多样化,染料的结构日益稳定化,极大提高了我国染料废水的处理难度,采用传统的生物降解法和物理脱除法很难将这种色度高、COD高、生化性差和污染物复杂的染料废水处理并达到排放标准。因此,需结合化学法深度处理染料废水以达到排放标准。
  活化过硫酸盐(PS)技术是近年新兴的高级氧化技术,具有氧化速度快、氧化彻底、适用pH范围宽、氧化剂易于存储运输等优点,其主要依靠硫酸根自由基(SO4?-)实现对有机物的降解。活性自由基SO4?-的氧化性很强,可以无选择性地将大部分有机物氧化降解为小分子有机物甚至直接矿化为无机物小分子,从而达到降解污染物的效果。常见的过硫酸盐的活化技术有热活化法、光活化法、活性炭活化法和过渡金属活化法。
  将活性炭与金属氧化物用于活化过硫酸盐处理难降解有机物已取得较好的效果。本文采用吸附金属的模拟废树脂为原料,原位制备负载金属的活性炭催化剂用于活化过硫酸盐,探究其对X-3B偶氮染料的催化氧化性能,通过对制备条件、反应条件以及降解的系统研究,揭示原位制备炭基催化剂活化过硫酸盐的降解机制。
  本文以吸附金属后的氨基螯合树脂为原料,采用炭化、活化的方式制备得到负载铜和负载铁的金属炭基催化剂。通过电子扫描电镜(SEM)、比表面积分析仪(BET)和X射线衍射(XRD)考察了不同活化温度(600、700和800℃)制备得到的催化剂孔道结构和表面金属形貌,探究了活化温度对吸附脱除和氧化降解脱除活性染料艳红X-3B的影响规律,优化得到最佳的活化温度800℃。进一步分别探究800℃活化制备得到的负载铜和负载铁催化剂在不同操作条件(催化剂投加量、染料初始浓度、PS投加量、pH、温度和阴离子)下对X-3B的降解特性的影响。结合自由基猝灭实验、紫外可见全波长扫描和液相色谱分析初步探究了金属炭基催化剂活化过硫酸盐对活性艳红X-3B的降解机理。
  1.载铜与载铁炭基催化剂催化过硫酸盐降解X-3B的单因素实验结果显示,催化剂的投加量,染料的初始浓度,氧化剂PS的初始浓度,pH、温度和阴离子对染料活性艳红X-3B的脱除均有不同程度的影响。催化剂投加量越大,X-3B的脱除率越高;染料初始浓度越小越有利于脱除;在催化剂投加量比较小时,氧化剂PS的投加量对X-3B的脱除率影响不大;催化剂活化过硫酸盐在较宽的pH范围内(pH=2-10)对X-3B均有很高的脱除效率,较低的pH有利于提高脱除效率;温度越高,对X-3B的降解率也越高;碳酸根和碳酸氢根对X-3B的氧化降解有一定的抑制作用。
  2.载铜与载铁炭基催化剂2次使用实验表明,两种催化剂对X-3B的脱除率均有明显降低,主要是因为催化剂的比表面积降低,中间产物覆盖导致活性位点数量减少以及吸附脱除效率降低。
  3.通过对反应后的溶液进行紫外可见全波长扫描可以得出,载铜和载铁的催化剂活化过硫酸盐体系对X-3B的降解过程中均会产生新物种,液相色谱分析得出有三种主要的中间产物,包括两种小分子有机物和一种大分子结构的物质,从三种物质的紫外图谱可以初步推测出小分子可能为不含苯环结构的羧酸类或者胺类物质,或是带有一个苯环结构的醛或者酮,大分子物质可能为含有萘结构的大分子结构。
  本文在“以废治废”思路的指导下,采用吸附金属的废弃螯合树脂原位制备金属炭基催化剂,对过硫酸盐具有显著的活化性能,能够有效降解偶氮染料活性艳红X-3B。
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