磁改性海泡石活化过硫酸盐降解水中内分泌干扰物的研究

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内分泌干扰物残留于水环境具有较高的环境风险,潜在威胁人类健康。然而,传统的物理法和生物法不能在短时间内有效去除内分泌干扰物。因此,如何高效去除水中内分泌干扰显得尤为重要。本文通过共沉淀法将Fe3O4负载于改性后的海泡石黏土表面,制得磁改性海泡石催化剂,催化过硫酸钾(K2S2O8,PDS)降解水中内分泌干扰物双酚A(BPA)和阿特拉津(ATZ)。通过使用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、孔结构分析仪、等电点分析仪和磁性能分析仪对催化剂的形貌和结构以及物理性质进行了表征分析;通过采用超高效液相色谱、吸附动力学、液质联用色谱考察了磁改性海泡石/PDS体系对内分泌干扰物的降解效能,优化了反应条件,阐明了反应机理。主要研究结果如下:(1)表征结果表明Fe3O4能够负载于改性后的海泡石表面,成功制备了磁改性海泡石催化剂。制得的催化剂比表面积、平均孔径和孔容分别为81.02 m2/g、7.88 nm以及0.116 cm3/g,等电点为7.6,具有显著的磁性且在水中可通过外加磁力对其进行收集。(2)磁改性海泡石催化剂对BPA的吸附结果表明高比表面积的催化剂可对BPA有效吸附,室温下(25℃)平衡吸附量可达11.6 mg/g,平衡吸附量随溶液p H值(2-11)增大呈现先增加后下降的趋势,在p H值为7时平衡吸附量达到最大即11.6 mg/g。并且催化剂在不同温度下对BPA的吸附符合准二级反应动力学。使用磁改性海泡石/PDS体系降解BPA,当PDS投量为4000 mg/L、催化剂投量为2 g/L、溶液p H值为5、温度为25℃时,磁改性海泡石/PDS非均相体系可在20分钟内完全降解BPA(30 mg/L)。自由基猝灭实验证明体系内自由基以SO4·-为主,少量·OH为辅。(3)不同催化剂投量和PDS投量对BPA降解分析结果表明,催化剂投量为1.2 g/L到3.8 g/L时,BPA的降解率呈现先增后减的趋势,在催化剂投量为3.0 g/L时,BPA的降解率达到100%;当PDS投量为4000 mg/L时,BPA在20分钟内即可接近完全降解。进一步对催化剂进行了重复性和稳定性测试表明催化剂在循环使用过程中仍能保持较好的催化活性和稳定性。使用液质联用色谱仪(LC-MS)进一步对中间产物进行了鉴定,并在此基础上对BPA可能的降解途径进行分析。(4)磁改性海泡石催化剂对ATZ的吸附结果表明高比表面积的催化剂同样可吸附ATZ分子,60℃平衡吸附量可达2.230 mg/g,而不同温度下催化剂对ATZ的吸附动力学存在差异。使用磁改性海泡石/PDS体系降解ATZ,当PDS投量为2000 mg/L、催化剂投量为1g/L、溶液p H值为5、温度为25℃时,磁改性海泡石/PDS非均相体系可在90分钟内降解70.4%的ATZ(10 mg/L)。自由基猝灭实验证明体系内自由基以SO4·-为主,少量·OH为辅。(5)不同PDS投量和溶液初始p H值对ATZ降解分析结果表明,在PDS投量为1000 mg/L-6000 mg/L时,提高PDS投量有利于ATZ的降解;酸性(p H<7)和碱性环境条件(p H≥10)比中性条件更有利于ATZ的降解。进一步对催化剂进行了重复性和稳定性测试表明催化剂在循环使用过程中仍能保持较好的催化活性和稳定性。使用LC-MS进一步对中间产物进行了鉴定,并在此基础上对ATZ可能的降解途径进行分析。
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