铁、铈双金属催化剂用于电芬顿体系降解邻苯二甲酸二丁酯的研究

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邻苯二甲酸二丁酯(DBP)作为增塑剂广泛应用于各行各业,属于一种内分泌干扰素,普通废水处理工艺难以有效降解,它所造成的水体污染不容忽视。电芬顿氧化技术作为一种先进的氧化技术,在处理难降解废水方面具有很大的优势。本文研究了一种高效的铁、铈双金属催化剂用在电芬顿体系处理邻苯二甲酸二丁酯,具有良好的效果。以MCM-41为模板,采用水热焙烧法制备了铝改性的双金属催化剂Fe-Ce/Al-MCM-41,并通过XRD、BET和XPS等手段对其进行了表征分析。以邻苯二甲酸二丁酯模拟废水和生活废水为处理对象,通过单因素实验探讨了初始p H值、催化剂用量、电流强度和通氧量等不同反应条件下的去除率,确定了最佳操作条件;通过对降解过程进行动力学拟合与分析,探究该体系中有机物的降解规律和催化机理;通过重复使用实验测试了催化剂的稳定性。具体结论如下:(1)采用水热合成的方法,制备了一种异相双金属催化剂,通过单因素实验得出在焙烧温度550℃,焙烧时间6 h,铁铈的最佳金属配比选择1:1,Al离子掺杂量为0.25 wt%的条件下制备的催化剂催化效果最佳;通过对比研究发现制备的铁铈双金属催化剂Fe-Ce/Al-MCM-41在电芬顿法处理DBP体系具有良好的催化效果,且掺杂0.25 wt%的Al离子后的双金属催化剂比单一金属催化剂的催化效果更好。(2)对所制备的几种催化剂进行BET、TEM、XRD、FT-IR、XPS表征分析,结果表明水热合成法制得的催化剂能够有效保留介孔材料MCM-41良好的结构性能,具有较大的比表面积和孔径,有利于催化剂表面催化反应的进行;催化剂中的铁、铈、铝三种金属离子取代MCM-41上的硅原子,从而负载在催化剂上,这种催化剂具有更强的稳定性;通过实验证明此催化剂重复使用四次后,催化效果仅略有降低;金属离子Ce、Fe的浸出量分别为0.27 mg/L、0.81 mg/L,具有非常高的重复利用率与稳定性。(3)本文研究了影响电芬顿反应效率的多种因素,通过单因素实验得出此异相电芬顿降解邻苯二甲酸二丁酯体系的最佳运行条件为:以Na2SO4作为电解质,p H=3,电流强度0.15 A,通氧量0.2 L/min,催化剂投加量为0.5 g/L。该条件下反应120 min,对初始浓度为10 mg/L的DBP去除率可达97.1%,在较宽的p H(2~7)具有92.1%以上的去除率。(4)研究对比了七种不同工艺对DBP的去除效果:1、碳毡吸附;2、D1吸附;3、D4吸附;4、D1+碳毡吸附;5、D4+碳毡吸附;6、碳毡+电化学氧化;7、D4+电芬顿工艺,这七种不同工艺对DBP的去除率分别为52.6%、26.4%、26.9%、66.9%、60.6%、59.8%、97.1%。实验结果表明参与DBP降解的主要有电芬顿、碳毡吸附、催化剂吸附、电化学反应等反应,吸附作用和电芬顿反应的共同作用对DBP的去除起到决定作用。(5)通过对生活废水中的DBP进行降解研究,结果发现在实际废水体系中,使用本实验条件处理DBP仍然具有一定的去除率,反应120 min后对生活废水中本身存在的少量DBP降解效果达到77.7%,通过加标实验发现对DBP浓度2mg/L和10 mg/L的实际废水去除率分别为84.7%和90.6%。(6)对铂丝-碳毡电芬顿体系降解DBP的机理进行分析得出主要活性物质是·OH,使用碳毡作为阴极具有吸附作用,其中铁铈双金属催化剂具有协同作用,催化剂Fe-Ce/Al-MCM-41上的金属离子在催化过程中发生协同反应,产生有利于催化反应的二价铁离子,可以提高催化效率。本研究中异相电芬顿降解DBP体系符合一级动力学方程,对初始浓度10 mg/L的DBP降解速率常数为3.44×10-4s-1,优于普通的芬顿工艺。(7)通过对不同Al含量的催化剂进行去除率与降解速率分析,结果得出Al离子虽不参与电芬顿反应,但是Al离子含量不同,所制备的催化剂的表面性质以及表面结构也不同,掺杂0.25 wt%Al离子可以提高催化剂的稳定性与催化速率。
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