纳米Pd/Fe双金属颗粒的制备及其在氯酚类化合物还原脱氯中的应用

来源 :南京师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wangtan2
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氯酚类有机污染物具有生物难降解性、生物累积性和“致畸、致癌、致突变”的“三致”效应,是备受广泛关注的一类优先控制污染物。针对水体中氯酚类污染物的处理,国内外相关研究学者开展大量研究工作,并已开发出多种治理技术。自20世纪80年代末,纳米零价铁颗粒以其特有的表面效应和小尺寸效应,具有优越的吸附性能以及较高的化学还原活性,特别是选择有效的催化剂制备出双金属纳米颗粒,可以明显改善和提高其对有机污染物的反应活性和处理效率。因此纳米双金属颗粒在有机氯代化合物还原脱氯方面的应用被相关研究人员广泛关注,该技术已成为水体微污染治理领域的重要研究方向之一。应用改进液相还原法制备纳米Fe及Pd/Fe双金属复合颗粒,通过透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射光谱(XRD)等对其颗粒形态分布、颗粒大小以及晶体结构进行表征分析。结果表明,合成的纳米铁颗粒分散性良好,粒径分布介于25-40nm,钯颗粒不连续的负载在球形纳米铁颗粒的表面。选择三种单氯酚(2-CP、3-CP、4-CP)和六种二氯酚(2,3-DCP,2,4-DCP,2,5-DCP,2,6-DCP,3,4-DCP,3,5-DCP)作为研究对象,以钯负载率分别为0.045%和0.13%的Pd/Fe双金属颗粒对氯酚类化合物进行还原脱氯,探讨脱氯反应过程的动力学及作用机理,同时运用密度泛函理论中的B3LYP方法对单氯酚(3-CP)的还原脱氯反应过程进行理论计算,取得以下主要研究结论:(1)利用高效液相色谱测定分析单氯酚和二氯酚在脱氯反应过程中各种物质的浓度变化趋势,以及Gaussian09软件的理论计算推断氯酚类有机污染物在纳米Pd/Fe双金属颗粒表面发生催化还原脱氯的机理,反应过程包括三个阶段:①纳米Fe颗粒和H20或者水中的H-发生腐蚀反应产生H2并且吸附在钯颗粒的表面,同时Fe被氧化为Fe2+;②氯酚类化合物在贵金属催化剂钯的作用下,与氢气反应并还原脱氯;③Fe2-与水溶液中少量的O2和OH-继续发生反应,在纳米Pd/Fe表面形成钝化层;(2)实验结果表明,相同实验条件下,单氯酚还原脱氯速率为3-CP>4-CP>2-CP,而二氯酚的相应顺序依次为3,5-DCP>2,5-DCP>2,3-DCP>3,4-DCP>2,4-DCP>2,6-DCP:(3)氯酚类化合物的还原脱氯反应均符合拟一级反应动力学;(4)实验结果表明,分子中氯原子的化学环境对还原脱氯过程具有明显影响,氯原子还原脱除由难到易的顺序为:邻位>对位>间位;(5)密度泛函理论中的B3LYP方法对单氯酚催化还原脱氯反应机理历程的理论计算与实验结果吻合。
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