生物炭-Fe(Ⅲ)活化过硫酸盐氧化降解阿特拉津的研究

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阿特拉津是一种典型的三嗪类除草剂,可有效控制各类杂草生长,因此被广泛施用于农田土壤中。阿特拉津不仅会残留于土壤还会随地表径流汇入江河、渗入地下水等环境介质中,对人体健康造成严重威胁。因此,其已经成为优先从环境中去除的有机污染物之一,过硫酸盐高级氧化技术(AOPs)因具有成本低廉、稳定性好和氧化还原电势较高等优势,在有机污染物降解方面具有巨大优势。因此,寻找高效、环境友好且经济的过硫酸盐活化剂对于推动AOPs的应用具有重要意义。生物炭作为一种新兴的环保材料,已被广泛用于水体、土壤等有机污染的治理。大量研究结果显示,生物炭除具有较强的吸附能力外,其对过硫酸根离子的活化也起到了重要的作用,而生物炭的催化活性主要来源于其表面结构中大量的氧化还原官能团及其特殊的电子转移能力。被广泛应用于高级氧化过程中。本研究以不同生物质(大豆秸秆(SS)、玉米秸秆(CS)、葡萄柚皮(GP)和香蕉皮(BP))为原料,并探究其不同热解温度(450℃和800℃)制备的热解炭对体系中阿特拉津降解效果的影响。通过热解和水热炭化工艺制备生物炭,以阿特拉津为目标污染物,对不同方式制备的生物炭进行降解对比试验,在此基础上,采用生物炭协同Fe(Ⅲ)活化过硫酸盐(PS)氧化法对阿特拉津的降解作用及其机理展开系统深入的探讨。主要研究结果与主要结论如下:(1)分别对比不同的生物质原料、热解温度制备的热解炭对体系中阿特拉津降解效果的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对BC进行表征分析。结果表明,低温热解生物炭(BC450)表面含有大量的官能团,如-COOH和C=O,这些官能团使Fe(Ⅲ)在热解炭的表面发生还原反应,从而加速了Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循环,促进了BC/Fe(Ⅲ)/过硫酸盐体系中阿特拉津的降解。而随着热解温度的升高,生物炭的表面粗糙度、孔隙率和比表面积增加,这些特性都有利于阿特拉津的吸附。预吸附降解试验表明,高温热解生物炭(BC800)主要通过吸附去除阿特拉津。(2)为探究热解工艺和水热工艺制备的生物炭协同Fe(Ⅲ)活化过硫酸盐对阿特拉津的去除效果。试验选用玉米秸秆为原料经过热解和水热炭化形成热解炭和水热炭,分别将BC/PS和HC/PS、BC/Fe(Ⅲ)/PS和HC/Fe(Ⅲ)/PS处理体系进行降解对比试验,同时考察Fe(Ⅲ)的添加量对阿特拉津降解效果的影响,结果显示,当Fe(Ⅲ)浓度为0.1 m M时,阿特拉津的降解率最高可以达到完全去除的效果。并且对比两种生物炭材料所形成的体系中发现,在BC存在的体系的阿特拉津降解效果更好。(3)BC450/PS体系对阿特拉津的动力学表明,热解炭可以直接激活PS,提高阿特拉津的去除率,并且,热解炭的催化降解能力是有限的。在BC450/Fe(Ⅲ)/PS体系中,阿特拉津去除率最高可达到98.21%,较BC/PS体系提高了35.06%,说明BC/Fe(Ⅲ)可以协同活化PS,强化阿特拉津的降解。为了探究热解炭与Fe(Ⅲ)的协同作用,研究表明,在较低的Fe(Ⅲ)的添加量下,目标污染物具有较好的去除效果,这是因为Fe(Ⅲ)的还原过程发生在BC表面。然而,过量的Fe(Ⅲ)也消耗了部分PS抑制阿特拉津降解。SSBC/Fe(Ⅲ)/PS体系在较宽的浓度范围内都具有良好的去除效果,这说明添加Fe(Ⅲ)对生物炭活化过硫酸盐有很好的促进作用,证实生物炭可以促进Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循环,进而激活PS增强阿特拉津去除效果。(4)利用自由基淬灭法和电子自旋共振(ESR)技术对阿特拉津在测定过程中发挥重要功能的自由基进行了识别,反应体系中均检测到SO4·-、·OH、~1O2和持久性自由基(PFRs),结果说明Fe(Ⅲ)/BC-PS体系中对阿特拉津氧化降解起作用的主要是含氧基团、PFRs、金属组分和掺杂杂原子。因此,本研究表明生物炭可以加速Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)氧化还原循环,促进活化过硫酸盐对有机污染的降解。并且,在BC450/Fe(Ⅲ)/PS体系中对阿特拉津的去除是热解炭表面结合活性物质、~1O2、硫酸根自由基(SO4·-)和羟基自由基(·OH)共同作用所产生的结果。
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