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双酚类污染物(BPs)作为一种典型的内分泌干扰物(EDCs),可能对人体产生生物毒性作用(致癌性、致突变性等)。因双酚类有机物的广泛使用性和高度持久性,近年来已被检测到广泛存在于环境水体和工厂排放的废水中,因此对含BPs废水的处理受到广泛关注。
高级氧化技术(AOPs)因其在处理难降解有机污染物时表现出的高效性,成为含双酚类污染物废水处理的重要手段。基于过硫酸盐的高级氧化技术(SR-AOPs),通过将过硫酸盐(PS)激活而产生各种自由基,从而实现难降解有机污染物的降解。过渡金属的非均相催化经济高效、操作简单且可减少均相催化剂的二次污染,是PS活化的重要方法。在众多的过渡金属中,铁基材料廉价高效、无毒环保,被认为是最有利于实际推广应用的PS活化剂,如何有效提高铁基催化剂的催化活性和稳定性并尽可能减少铁基催化材料使用中产生的二次污染成为了研究的重点。金属有机框架化合物(MOFs)是一类以金属离子或金属簇为中心,通过配体有机物与金属中心的配位作用形成的周期性多孔晶体材料,因其具有比表面积大,丰富的金属活性位点等优点而在催化领域具有广阔的应用前景。通过调整MOFs自身的组成和结构,或是经过不同的处理手段得到的MOFs衍生物等多种方法能够实现增强材料催化性能和抵抗外部环境影响的能力,使其具有更好的实际应用潜力。
本论文在综合国内外大量相关研究文献的基础上,针对SR-AOPs应用中所用材料催化性能低和稳定性低等缺点,以MIL-101(Fe)为模板,通过氨基基团的引入或简单一步碳化法制备NH2-MIL-101(Fe)及NH2-MIL-101(Fe)碳化衍生物,用于活化过硫酸盐降解水中双酚类污染物BPF和BPS,并深入研究了BPF和BPS的降解途径和机理。主要内容如下:1.以MIL-101(Fe)和NH2-MIL-101(Fe)为催化剂,活化过硫酸盐降解双酚F。通过XRD、FT-IR、XPS、SEM等手段对合成的MIL-101(Fe)和NH2-MIL-101(Fe)的形貌结构和化学组成进行表征。通过氨基改性前后的MIL-101(Fe)的催化性能对比,结合密度泛函理论计算,证明了氨基改性后的NH2-MIL-101(Fe)具备更强的吸附过硫酸根能力和电子传递能力,从而具有更高的催化能力。此外,不同的反应条件下NH2-MIL-101(Fe)活化PS降解BPF的研究表明,较高的反应温度有利于降解效率的提高;并且NH2-MIL-101(Fe)/PS具备较宽的pH适应能力,可以更好地适应水中共存阴离子(Cl-、NO3-、SO42-等)和有机物(HA)的影响,在不同水基质中该体系也同样具备很好的应用潜力。自由基捕获实验和EPR分析研究表明了·OH、SO4·-、O2·-和1O2共同作用导致BPF分解。通过密度泛函理论计算结合液相色谱与质谱联用技术(HPLC-MS)分析BPF的主要降解反应是羟基化和环裂解。并通过中间产物毒性预测显示了BPF降解产物的环境友好性。
2.以NH2-MIL-101(Fe)为模板,通过高温碳化,一步合成铁-碳纳米材料Fe-CNs。通过后负载法将MoO2负载在Fe-CNs上,合成了铁/钼-碳材料Fe/Mo-CNs。利用XRD、FT-IR、XPS、SEM、TEM等表征手段探究Fe-CNs和Fe/Mo-CNs的形貌结构和化学组成。结果发现,在Fe-CNs复合催化剂中,有机骨架碳化形成的三维立体碳网络在充分分散铁的同时实现其有效固定,保证了催化位点的活性和稳定性;氨基可实现N的同步掺杂,促进了催化过程中电子的转移,进一步提高了材料的催化性能。而合成的Fe/Mo-CNs在同样具备的三维立体铁-碳网络结构表面又负载了一层MoO2,这不仅增强了反应过程中铁离子的氧化还原循环,促进了Fe3+向Fe2+的转化,而且进一步提高了材料的稳定性。淬灭实验和EPR实验证实,Fe-CNs/PS和Fe/Mo-CNs/PS体系中均为SO4·-、·OH、O2·-和1O2协同降解BPS。Fe/Mo-CNs/PS体系在不同的影响因素(pH、共存阴离子和有机物等)下均显示了比Fe-CNs/PS体系更好的降解性能。循环实验表明与Fe-CNs相比,Fe/Mo-CNs具有更好的循环性能。采用HPLC-MS和密度泛函理论计算提出了BPS的潜在降解途径为羟基化、氧化和环裂解。并通过中间产物毒性预测显示了BPS降解产物的环境友好性。
高级氧化技术(AOPs)因其在处理难降解有机污染物时表现出的高效性,成为含双酚类污染物废水处理的重要手段。基于过硫酸盐的高级氧化技术(SR-AOPs),通过将过硫酸盐(PS)激活而产生各种自由基,从而实现难降解有机污染物的降解。过渡金属的非均相催化经济高效、操作简单且可减少均相催化剂的二次污染,是PS活化的重要方法。在众多的过渡金属中,铁基材料廉价高效、无毒环保,被认为是最有利于实际推广应用的PS活化剂,如何有效提高铁基催化剂的催化活性和稳定性并尽可能减少铁基催化材料使用中产生的二次污染成为了研究的重点。金属有机框架化合物(MOFs)是一类以金属离子或金属簇为中心,通过配体有机物与金属中心的配位作用形成的周期性多孔晶体材料,因其具有比表面积大,丰富的金属活性位点等优点而在催化领域具有广阔的应用前景。通过调整MOFs自身的组成和结构,或是经过不同的处理手段得到的MOFs衍生物等多种方法能够实现增强材料催化性能和抵抗外部环境影响的能力,使其具有更好的实际应用潜力。
本论文在综合国内外大量相关研究文献的基础上,针对SR-AOPs应用中所用材料催化性能低和稳定性低等缺点,以MIL-101(Fe)为模板,通过氨基基团的引入或简单一步碳化法制备NH2-MIL-101(Fe)及NH2-MIL-101(Fe)碳化衍生物,用于活化过硫酸盐降解水中双酚类污染物BPF和BPS,并深入研究了BPF和BPS的降解途径和机理。主要内容如下:1.以MIL-101(Fe)和NH2-MIL-101(Fe)为催化剂,活化过硫酸盐降解双酚F。通过XRD、FT-IR、XPS、SEM等手段对合成的MIL-101(Fe)和NH2-MIL-101(Fe)的形貌结构和化学组成进行表征。通过氨基改性前后的MIL-101(Fe)的催化性能对比,结合密度泛函理论计算,证明了氨基改性后的NH2-MIL-101(Fe)具备更强的吸附过硫酸根能力和电子传递能力,从而具有更高的催化能力。此外,不同的反应条件下NH2-MIL-101(Fe)活化PS降解BPF的研究表明,较高的反应温度有利于降解效率的提高;并且NH2-MIL-101(Fe)/PS具备较宽的pH适应能力,可以更好地适应水中共存阴离子(Cl-、NO3-、SO42-等)和有机物(HA)的影响,在不同水基质中该体系也同样具备很好的应用潜力。自由基捕获实验和EPR分析研究表明了·OH、SO4·-、O2·-和1O2共同作用导致BPF分解。通过密度泛函理论计算结合液相色谱与质谱联用技术(HPLC-MS)分析BPF的主要降解反应是羟基化和环裂解。并通过中间产物毒性预测显示了BPF降解产物的环境友好性。
2.以NH2-MIL-101(Fe)为模板,通过高温碳化,一步合成铁-碳纳米材料Fe-CNs。通过后负载法将MoO2负载在Fe-CNs上,合成了铁/钼-碳材料Fe/Mo-CNs。利用XRD、FT-IR、XPS、SEM、TEM等表征手段探究Fe-CNs和Fe/Mo-CNs的形貌结构和化学组成。结果发现,在Fe-CNs复合催化剂中,有机骨架碳化形成的三维立体碳网络在充分分散铁的同时实现其有效固定,保证了催化位点的活性和稳定性;氨基可实现N的同步掺杂,促进了催化过程中电子的转移,进一步提高了材料的催化性能。而合成的Fe/Mo-CNs在同样具备的三维立体铁-碳网络结构表面又负载了一层MoO2,这不仅增强了反应过程中铁离子的氧化还原循环,促进了Fe3+向Fe2+的转化,而且进一步提高了材料的稳定性。淬灭实验和EPR实验证实,Fe-CNs/PS和Fe/Mo-CNs/PS体系中均为SO4·-、·OH、O2·-和1O2协同降解BPS。Fe/Mo-CNs/PS体系在不同的影响因素(pH、共存阴离子和有机物等)下均显示了比Fe-CNs/PS体系更好的降解性能。循环实验表明与Fe-CNs相比,Fe/Mo-CNs具有更好的循环性能。采用HPLC-MS和密度泛函理论计算提出了BPS的潜在降解途径为羟基化、氧化和环裂解。并通过中间产物毒性预测显示了BPS降解产物的环境友好性。