Fe-C/N复合材料的制备及其催化过硫酸盐降解有机物的研究

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基于过硫酸盐(PS)的高级氧化技术在近年来受到了广泛的关注。由于过硫酸盐在常温下比较稳定,因此如何有效的活化过硫酸盐是目前研究者们关注的重点。本文制备了一种碳包裹的Fe3C和Fe3N复合材料(简写为Fe-C/N),并研究了其活化过硫酸盐降解酸性红73和双酚A的效能。以草酸亚铁(FeC2O4·2H2O)和氮化碳(g-C3N4)为原料,通过浸渍煅烧法制备了Fe-C/N-0.5:1(0.5:1是指原料中Fe元素与g-C3N4的质量比为0.5:1)固体催化剂,X射线衍射(XRD)分析表明其主要物相为Fe3C和Fe3N。研究了Fe-C/N-0.5:1/PS体系对酸性红73的去除效果,并探究了各因素对其氧化效率的影响。在室温条件下(25°C),Fe-C/N-0.5:1和PS的投加量为1.0 g/L,初始pH为6.8,在10 min内对酸性红73的去除率为98.11%。化学需氧量(COD)的测试结果表明,在30 min内去除率仅为34%,说明有中间产物在溶液中累积。结合紫外可见吸收光谱和气相色谱(GC)、气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)、离子色谱(IC)的分析结果表明,酸性红73降解的中间产物主要为苯甲酸,还有少量的邻苯二甲酸、丁二酸、己二酸、甲酸和乙酸。通过调整原料的不同配比,获得不同Fe3C和Fe3N含量的催化剂,并考察其催化PS降解酸性红73的效果。结果发现,当Fe3C和Fe3N同时存在时降解效果较好,因此Fe-C/N-0.5:1的催化效果可归结于Fe3C和Fe3N的协同作用,其中Fe3C起主导作用。通过1,10-菲啰啉光谱法测得溶出铁为1.932 mg/L,循环四次之后的降解效率仍可达到92.99%,说明了该催化剂具备较好的稳定性和可循环性。通过自由基淬灭实验发现,该体系存在单线态氧(1O2)、硫酸根自由基(SO4·-),和羟基自由基(·OH)三种活性物质,其中1O2起主要作用。利用Fe-C/N-0.5:1/PS体系降解双酚A,当催化剂和过硫酸盐的投加量均为0.2 g/L,20 min内双酚A(20 mg/L)的去除率达99.69%。探究了常见的阴离子(Cl-、HCO3-、SO42-)对降解体系的影响,发现常见的阴离子对降解效果没有明显的抑制作用。随着pH的升高(39),降解效率有些微下降,但是在20 min后降解效率没有太大差别,这可能是因为反应后的溶液都趋于相似的pH值(3.4-3.6)。基于上述分析可知,该Fe-C/N-0.5:1固体催化剂在室温下能够明显的提高过硫酸盐的氧化能力,在室温条件下对酸性红73和双酚A模拟废水都有较好的去除效率。且催化剂稳定性高,有磁性易于回收,可重复使用,有很好的应用前景。
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