铁基石墨烯修复草甘膦污染水体的性能机理

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针对农业生产中广泛使用的草甘膦(Glyphosate,GLY)污染水体问题,本文着重研制性能优良的铁基石墨烯复合材料,构筑高效的吸附和氧化体系用于GLY污染水体修复,并探究复合材料去除GLY的性能及其催化活化过硫酸钠(Na2S2O8)氧化降解GLY的过程机理,主要包括以下内容:1.制备易分离、吸附性能优异的磁性还原石墨烯(rGO-Fe3O4)复合材料,用于开展其对GLY的静态吸附批实验,通过考察pH、反应时间、温度、离子强度、GLY初始浓度等影响因素,探讨rGO-Fe3O4对GLY的去除效率,并结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线能量色散光谱仪(EDS)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)等表征手段分析修复机理。实验结果表明:升高GLY初始浓度,复合材料对GLY的吸附量增加;酸性条件更利于GLY污染水体的修复;rGO-Fe3O4吸附GLY的过程为单分子层吸附且由化学吸附控制,反应易于发生;此外,当温度由298K升至328K时,△H>0,△G<0,表明该反应是自发进行的吸热反应,即升温有利于吸附;rGO-Fe3O4吸附GLY的机理主要包含氢键作用、静电作用和配位作用等,这些作用力极大促进了反应的进行。2.采用共沉积法制备rGO-Fe3O4-玻璃珠复合材料并开展其对GLY的动态吸附柱实验,通过考察GLY初始浓度、pH、流速、柱高等因素对穿透过程的影响,研究复合材料对GLY的动态吸附性能,并结合SEM、EDS、XPS、全自动比表面及孔隙度分析仪等表征手段及Thomas、Yoon-Nelson和Yan等吸附模型分析反应机理。实验结果表明:在GLY初始浓度为40mg/L,有效柱高为1.2cm,pH为4,流速为0.5ml/min,温度为298K的工艺条件下,复合材料动态吸附GLY的效果最佳;此外,Thomas、Yoon-Nelson和Yan模型均可较好地描述该材料对GLY的动态吸附行为,但运用Yan模型拟合准确度更高。3.采取水热法制备三维石墨烯及其复合材料(3D-rGO和3D-rGO-Fe3O4)并开展2种催化剂活化Na2S2O8氧化降解GLY的静态批实验,通过考察Fe-C比例、pH、氧化剂投加量、温度、共存离子及材料重复性等影响因素,探究催化剂活化Na2S2O8氧化降解GLY的性能,并结合SEM、XPS、FTIR、全自动比表面及孔隙度分析仪、电子顺磁共振波谱仪(EPR)等表征技术分析降解机理。实验结果表明:3D-rGO-Fe3O4复合催化剂稳定性良好;随着温度升高,GLY降解率增加;当GLY初始浓度为30mg/L,转速为110rpm,石墨烯与FeSO4·7H2O质量配比为1:7,pH为4,Na2S2O8质量为48mg,温度为298K时,3D-rGO-Fe3O4复合催化剂活化Na2S2O8降解GLY的性能良好,其中GLY降解率为96.8%,速率常数为2.1×103min-1,降解半衰期为330.07min,相关系数R2为0.994,且该降解过程能较好地符合准一级动力学模型。此外,共存离子因素实验结果表明,Cl-、NO3-、Mn2+、Zn2+、Mg2+、CO32-均对GLY降解过程产生一定的抑制作用。
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