MnFe2O4/MIL-53(Al)-PMS体系、Bi2WO6/MIL-53(Al)-氧化剂—可见光体系与Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF-可见光体系分别用于去除水中难降解有机污染物

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基于硫酸根自由基(SO4-·)的高级氧化技术(AOTs)和光催化氧化高级氧化技术是去除水中难降解有机污染物的有效方法,已成为水污染控制领域的研究热点。本文研究去除水中难降解有机污染物的高级氧化技术,难降解有机污染物包括罗丹明B(RhB)、亚甲基蓝(MB)和孔雀石绿(MG),涉及非均相MnFe2O4/MIL-53(Al)-PMS-RhBaq体系、Bi2WO6/MIL-53(Al)-RhBaq-氧化剂PMS-可见光体系和Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF-难降解有机污染物-可见光体系。对于非均相MnFe2O4/MIL-53(Al)-PMS-RhBaq体系,以Mn(NO32、Fe(NO33·9H2O和柠檬酸为前驱物,以金属有机骨架材料(MOF)MIL-53(Al)为载体,采用溶胶凝胶法制备MnFe2O4/MIL-53(Al)复合物(MnFe2O4负载量以MnFe2O4与MIL-53(Al)的摩尔比计,分别为0.5、1.0和2.0)。通过XRD、SEM、XPS和FT-IR等技术对典型MnFe2O4/MIL-53(Al)样品进行了表征;探究了MnFe2O4/MIL-53(Al)的形成机理。考察了MnFe2O4负载量对MnFe2O4/MIL-53(Al)催化性能的影响及MnFe2O4/MIL-53(Al)投加量、PMS投加量、初始RhB浓度、初始溶液pH和反应温度对RhB的降解率和降解速率的影响,同时探究了MnFe2O4/MIL-53(Al)的重复使用性能,分析了RhB的降解途径和降解机理。结果表明:粒径为50 nm的片状MnFe2O4均匀分散在平均直径为12μm,轴向长度为24μm,厚度约为1μm的块状晶体MIL-53(Al)的表面;当MnFe2O4的负载量为1.0时,所制备的复合物1-MFO/MIL活化PMS降解RhB的效果最好,在60 min的反应时间内降解率可达到99.4%,且未检测到Mn的浸出。在该体系中,RhB的降解过程符合一级动力学模型,提高催化剂投加量、减小初始RhB浓度和提高反应温度均有利于RhB降解速率的提高,当初始溶液pH为5.03(未调节)和PMS投加量为0.3 g/L时,RhB的降解速率最快。淬灭实验表明,该体系中存在活性自由基SO4-·和HO·,但SO4-·起主导作用。反应后XPS图谱分析表明,催化剂高的催化活性是靠M(II)/M(III)、O2-/O2及PMS的催化氧化三者间的平衡来维持。此外,通过采用二次蒸馏水冲洗的简单方式,可对1-MFO/MIL催化剂进行重新使用,在连续5次循环使用后催化剂仍然表现出较高的催化活性和稳定性,RhB的降解率保持在95.0%以上,且未检测到Mn的浸出。对于非均相Bi2WO6/MIL-53(Al)-RhBaq-氧化剂PMS-可见光体系,以Bi(NO33·5H2O、Na2WO4·2H2O和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为前驱物,以MIL-53(Al)为载体,采用水热法制备Bi2WO6/MIL-53(Al)可见光催化剂。通过XRD、SEM、XPS、FT-IR和UV-vis DRS等技术对典型的Bi2WO6/MIL-53(Al)复合物样品进行表征。考察了Bi2WO6/MIL-53(Al)制备的最佳条件,考察了单因素Bi2WO6负载量(复合物中Bi2WO6与MIL-53(Al)的摩尔比,分别为0.5、1/1.5、1.25、1.5和2)对Bi2WO6/MIL-53(Al)光催化活性的影响。对Bi2WO6/MIL-53(Al)-RhBaq-可见光体系,研究了Bi2WO6/MIL-53(Al)投加量和初始溶液pH对RhB的光催化降解速率的影响,通过在该体系中分别加入PDS、PMS和H2O2三种氧化剂的效果比较,确定了PMS为优先选用的氧化剂;对Bi2WO6/MIL-53(Al)-RhBaq-PMS-可见光体系,研究了PMS投加量、初始RhB浓度和初始溶液pH对RhB的光催化降解率和降解速率的影响。分析了RhB的降解途径以及机理,考察了Bi2WO6/MIL-53(Al)的重复使用性能。结果表明:MIL-53(Al)的引入削弱了Bi2WO6的团聚现象,Bi2WO6以直径100 nm的片状形态均匀分布于载体MIL-53(Al)的表面;经多因素正交试验确定Bi2WO6/MIL-53(Al)复合物的制备条件:水热温度为120°C、表面活性剂的投加量为0.2 g/2 mmol Bi、搅拌时间为6 h、溶解Bi(NO33·5H2O所用HNO3的浓度为2 M、Bi2WO6与MIL-53(Al)的摩尔比为1.25:1;在此条件下所制得的Bi2WO6/MIL-53(Al)对RhB的光催化降解效果最好,对RhB去除率可达97.0%;在Bi2WO6/MIL-53(Al)-RhBaq-可见光体系下,RhB的光催化降解符合一级动力学模型,RhB的光催化降解速率随催化剂投加量的增大而加快,初始溶液pH为4.75(未调节,接近催化剂pHpzc)时,RhB的去除速率最快,向体系中加入氧化剂PMS对RhB的降解速率有显著影响,RhB的光催化降解速率随PMS的投加量增加先增后减,随初始RhB浓度的增大而减小,且当pH=3时降解速率最快。淬灭实验发现该体系中起主导作用的为空穴(h+),同时超氧自由基(O2-·)和羟基自由基(HO·)也对RhB的降解有一定的贡献。通过简单再生的方式,可使光催化剂重复使用,催化剂在连续使用5次后,RhB的去除率仍能达到80.0%。对于非均相Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF-RhBaq-可见光体系,通过共混方式将Bi2WO6/MIL-53(Al)纳米复合物加入聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物铸膜液,并采用水热/浸没沉淀相转化联合法制备Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF复合物膜可见光催化剂。通过XRD、SEM、XPS、FT-IR和UV-vis DRS等技术对典型的Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF复合物膜样品进行表征;考察了不同1.25-BWO/MIL负载量(复合物膜中1.25-BWO/MIL在铸膜液中的质量百分比,分别为2%、4%和6%)对Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF复合物膜光催化性能的影响;探究了Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF复合物膜投加量、初始RhB浓度和初始溶液pH对RhB的光催化降解率和降解速率的影响;探究了Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF对其他有机污染物MB、MG的降解能力。分析了RhB的降解途径以及降解机理,考察了Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF的重复使用性能。结果表明:由于纳米复合物Bi2WO6/MIL-53(Al)的引入,复合物膜的表面和内部分布着块状的Bi2WO6/MIL-53(Al),并且伴随着300500 nm的大孔出现,孔隙率增加;当1.25-BWO/MIL的投加量占铸膜液总质量的6%时,所制得的Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF复合物膜对RhB的光催化降解效果最好。该体系下,RhB的光催化降解符合一级动力学模型,RhB的光催化降解速率随催化剂投加量的增大先增后降,随初始RhB浓度的增大而降低,当初始溶液pH为5.03(未调节,接近于光催化剂的pHpzc)时,RhB的去除效果最好。此外,Bi2WO6/MIL-53(Al)/PVDF复合物膜对MB、MG等有机污染物也有较好的降解能力。淬灭实验发现体系中起主导作用的为空穴(h+),同时超氧自由基(O2-·)和羟基自由基(HO·)也对RhB的光催化降解有一定的贡献。通过H2O2浸泡的再生方式,可重新利用复合物膜催化剂,经过15次连续使用复合物膜对RhB的降解率仍可达76.8%,没有明显的降低。
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