Bi2Mn4O10/NF协同介质阻挡放电等离子体催化降解水中甲硝唑

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介质阻挡放电等离子体(dielectric barrier discharge plasma,DBDP)技术作为一类新兴的AOPs,能对水中有机污染物进行高效和快速的去除,为了提高DBDP的水处理效能和放电等离子体的能量利用率,等离子体催化技术成为了近年来的研发热点。催化过程主要是基于对放电生成的紫外光、H2O2和O3等物理和化学效应进行充分利用,其中,过渡金属基催化剂材料在DBDP体系中展现出了优异的催化能力,然而传统制备方法仍面临着过程繁琐和费时过长等问题,粉末状催化剂存在难以回收的问题。本文采用微波辅助共沉淀法,快速制备了效率高、不流失且易于回收的Bi2Mn4O10/NF催化剂,在此基础上建立Bi2Mn4O10/NF-DBDP体系进行水中甲硝唑(MNZ)的降解研究,探讨了Bi2Mn4O10/NF-DBDP体系降解水中MNZ的作用机制。采用微波辅助共沉淀法实现了Bi2Mn4O10/NF催化剂的快速制备,得到最优制备条件为:铋锰投加摩尔比1/4,在微波功率150 W下反应25 min,在600℃下煅烧2 h。此条件下制备的Bi2Mn4O10催化剂在DBDP体系中对MNZ去除率在反应25 min时可达到95.4%,加入泡沫镍(NF)作为载体后显著降低了金属溶出,极大提高了催化剂的稳定性和可重复利用性。采用XRD、SEM、EDS、XPS、FT-IR和BET表征技术对最优条件下制备的催化剂进行结构表征,确定了所制备催化剂为莫来石型的Bi2Mn4O10,且以莲花状成功嵌合到了NF上,表面同时存在Mn3+和Mn4+。此外,本文所制备Bi2Mn4O10/NF催化剂在重复使用5次后仍保持结构稳定,且对MNZ的去除率仅下降了2.7%,表现出优异的催化效果。建立Bi2Mn4O10/NF-DBDP体系并对其进行了水处理性能研究。在外加电压为18 k V,水循环速率为150 mL/min,催化剂投加量为1片(20×20 mm)的条件下,水中MNZ去除率在处理时长25 min时达到99.8%,能量效率为1142.2mg/k Wh。研究证明Bi2Mn4O10/NF催化剂的存在能显著提高DBDP体系对MNZ的去除率和能量效率。水中CO32-的浓度达到1 mmol/L以上时会对MNZ的去除形成抑制,而Cl-、SO42-、NO3-和PO43-对MNZ降解影响很小。通过通过活性物质捕获实验、测定体系中O3和H2O2的生成量,同时结合EPR和XPS检测结果,对DBDP体系下Bi2Mn4O10/NF的催化机理进行了探讨,发现·OH、~1O2、·O2-及e-对体系下MNZ的去除均起到了重要作用,Bi2Mn4O10/NF的催化作用由包括类Fenton、O3氧化等多种AOPs途径发生。最后,利用密度泛函理论(DFT)估算MNZ的Mulliken布局数和Fukui指数,以分析MNZ的活性位点,结合中间产物检测和相关文献报道,提出了MNZ在Bi2Mn4O10/NF-DBDP体系下可能的降解路径。
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