FeOOH/H2O2去除水中对氯硝基苯的研究

论文摘要

存在于水体中的人工合成有机物严重影响着水资源的安全利用,常规水处理工艺对这些难降解有机污染物的去除效果甚微。芬顿技术通过产生强氧化性且无选择性的羟基自由基可以有效分解大多数有机污染物,但是以Fe2+为催化剂的芬顿技术要求水质强酸性,存在催化剂和氧化剂易流失和污泥再处置的技术限制,对固体催化剂的开发已成为芬顿技术改进的新方向。羟基氧化铁（FeOOH）是土壤和水体沉积物的主要成分,因其特有的表面特性、较高的比表面积和细微的颗粒结构在环境治理吸附及催化技术领域被日益重视。探索羟基氧化铁催化过氧化氢分解的基本规律,是寻找经济高效的非均相芬顿催化剂并强化水中难降解有机污染物处理的基础。论文以实验室合成的羟基氧化铁为催化剂,对其微观结构与表面性质进行表征,考察了羟基氧化铁吸附以及催化过氧化氢分解氧化去除水中对氯硝基苯（pCNB）的效能,分析了催化氧化的机制。选择不同的反应前体并对合成条件进行控制,合成了三种羟基氧化铁材料,经检测均为晶型良好的α-FeOOH,具有纳米尺寸结构,对气体具有一定的吸附能力和容量。其中以硫酸铁盐为前体常温活化工艺制备的催化剂Ⅰ具有适于应用在水处理工艺中的表面特性,经验证采用催化剂Ⅰ催化过氧化氢分解氧化水中pCNB,反应30min对pCNB的去除率可达80%以上。FeOOH对水中的pCNB有一定吸附能力,吸附效果与羟基氧化铁的投量和溶液初始pH值有关。由于具有较高的催化活性,FeOOH/H2O2体系反应进行30min对pCNB的去除率较FeOOH吸附和H2O2氧化效果之和提高30%。反应过程中的铁溶出现象随着催化剂使用次数的增加而减弱,在水质pH值近中性条件下低于国标限值,重复使用对催化活性影响很小。对影响FeOOH/H2O2体系去除pCNB的因素进行了探讨,去除率在一定程度上随FeOOH与H2O2投量增大而提高,最优FeOOH和H2O2投加剂量分别为333mg/L和6.6mg/L;溶液初始pH值会影响催化剂的表面特性,在酸性和近中性范围可以保证催化活性的有效发挥;HCO3-碱度及腐殖酸对催化氧化pCNB有明显抑制作用,且抑制作用随HCO3-和腐殖酸浓度的增加而增强。FeOOH可以显著促进H2O2分解,催化能力较Fe2+催化能力更强,同时在FeOOH/H2O2体系中,叔丁醇可以显著抑制pCNB的去除,表明FeOOH/H2O2体系主要依靠FeOOH表面对H2O2的吸附分解产生羟基自由基,有效氧化水中的对氯硝基苯。催化氧化反应对pCNB的矿化率约为60%,苯环上的氯和硝基受到进攻后一定程度上转化为Cl-和NO3-。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 水体有机污染研究现状
• 1.1.1 水体有机污染概况
• 1.1.2 难降解有机污染物的处理技术
• 1.1.3 典型卤代芳香烃对氯硝基苯（pCNB）
• 1.2 芬顿技术处理水中有机污染物
• 1.2.1 均相芬顿技术
• 1.2.2 非均相芬顿技术
• 1.3 FeOOH 在水处理中的应用
• 1.3.1 FeOOH 的性质
• 1.3.2 FeOOH 吸附和催化去除水中有机污染物
• 1.4 课题研究目的意义及主要内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 课题研究的目的和意义
• 1.4.3 课题研究的主要内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 20₂ 催化氧化实验'>2.2.1 FeOOH/H₂0₂催化氧化实验
• 2.2.2 FeOOH 对pCNB 的吸附实验
• 2+/H₂0₂ 催化氧化实验'>2.2.3 Fe²⁺/H₂0₂催化氧化实验
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 水中pCNB 的分析方法
• 2+和Fe³⁺的测定'>2.3.2 水中Fe²⁺和Fe³⁺的测定
• 20₂ 的测定'>2.3.3 水中H₂0₂的测定
• -和N0₃^-的测定'>2.3.4 水中Cl^-和N0₃^-的测定
• 2.3.5 TOC 的分析测定
• 2.4 FeOOH 的表征方法
• 2.4.1 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.4.2 电子扫描显微镜分析（SEM）
• 2.4.3 傅里叶变换红外光谱分析（FT-IR）
• 2.4.4 孔结构和比表面积及吸附性能的测定
• 2.4.5 表面零质子电荷点pH 的测定
• 第3章 FeOOH 的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.2 FeOOH 的实验室制备
• 20₂ 体系去除水中pCNB 效果'>3.3 催化剂/H₂0₂ 体系去除水中pCNB 效果
• 3.4 制备催化剂的表征
• 3.4.1 催化剂物相组成及粒子晶型
• 3.4.2 催化剂的表面形貌及粒度分布
• 3.4.3 催化剂的比表面积、孔分布及吸附性能
• 3.4.4 催化剂的表面官能团及吸附状态
• 3.4.5 催化剂的表面电荷状态
• 3.5 本章小结
• 20₂去除水中pCNB 的效能研究'>第4章 FeOOH/H₂0₂去除水中pCNB 的效能研究
• 4.1 引言
• 4.2 FeOOH 吸附水中pCNB 的研究
• 4.3 FeOOH 吸附pCNB 效果
• 4.3.1 FeOOH 投量与初始pH 值对吸附的影响
• 4.3.2 FeOOH 对pCNB 的等温吸附
• 20₂ 催化氧化去除pCNB 的效果'>4.4 FeOOH/H₂0₂ 催化氧化去除pCNB 的效果
• 20₂ 去除pCNB 的影响因素'>4.5 FeOOH/H₂0₂ 去除pCNB 的影响因素
• 4.5.1 催化剂投量的影响
• 20₂ 投量的影响'>4.5.2 H₂0₂投量的影响
• 4.5.3 溶液初始pH 值的影响
• 4.5.4 水中重碳酸盐碱度的影响
• 4.5.5 水中腐殖酸的影响
• 4.6 催化剂的实用性评价
• 4.6.1 催化剂的铁溶出
• 4.6.2 催化剂的重复利用性能
• 4.7 本章小结
• 20₂去除水中pCNB 的机理研究'>第5章 FeOOH/H₂0₂去除水中pCNB 的机理研究
• 5.1 引言
• 20₂ 去除pCNB 的抑制作用'>5.2 叔丁醇对FeOOH/H₂0₂ 去除pCNB 的抑制作用
• 20₂ 氧化pCNB 的机理分析'>5.3 FeOOH 催化H₂0₂ 氧化pCNB 的机理分析
• 20₂ 对pCNB 去除的催化机制'>5.3.1 FeOOH/H₂0₂ 对pCNB 去除的催化机制
• 20₂ 分解的效果'>5.3.2 FeOOH 催化H₂0₂分解的效果
• 20₂ 去除pCNB 过程的矿化度分析'>5.4 FeOOH/H₂0₂ 去除pCNB 过程的矿化度分析
• -和N0₃^-的变化'>5.5 反应过程中Cl^-和N0₃^-的变化
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢