沸石负载四氧化三铁基于微波-UV装置降解甲基紫废水

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近几年来,染料废水污染已引起人们的广泛关注,三苯甲烷类染料是继偶氮染料、葸醌类染料之后的第三大使用最广泛的染料。异相光芬顿技术作为高级氧化技术(AOP)的一种新兴技术,由于其具有降解快速、无选择性、催化剂有望重复利用等优点,因此一直是类芬顿技术研究的热点。大量研究表明微波场可加强光催化反应、氧化反应,因此本文将微波场引入异相光芬顿体系中形成微波辅助异相光芬顿技术,将其应用于染料废水的处理。本文通过离子交换法以及液相化学沉积法制备Fe3O4/沸石复合粒子催化剂(以下简称FZ),以甲基紫MEV为目标物,研究在流动型微波异相光芬顿系统中,MEV的降解效率,详细考察主要影响因素,探讨MEV降解的反应机理以及流动型微波异相光芬顿系统在实际处理染料废水工艺中的可行性。主要内容归纳如下:(1)采用离子交换法以及液相沉积法制备Fe3O4负载沸石复合粒子催化剂,表征结果表明Fe3O4呈团簇形态紧密生长在沸石上,其颗粒大小在1μm-2μm之间,Fe/Si的原子百分比在0.66-0.76之间。Fe3O4负载沸石的XRD图谱在30°、35.5°、37°、43°、53.5°出现与Fe3O4(220).Fe3O4(311).Fe3O4(222).Fe3O4(400).Fe3O4(422)晶面相对应的衍射峰。以Fe2+/Na+=1:2的比例计算约15.6%的Fe以离子交换的形式存在于沸石之中。(2)当反应条件为:H2O2浓度5.28mmol/L, FZ-1投加量0.4g/L,初始pH值7.7±0.1,无极灯4根时,应用流动式微波辅助异相光芬顿体系(MPHF)降解20mg/L的MEV,30min后降解效率高达99.97%,而在相同条件下在微波紫外过氧化氢体系(MW/UV/H2O2)、微波辅助异相芬顿体系(MW/H2O2/FZ-1)、微波过氧化氢体系(MW/H2O2)以及异相芬顿体系(H2O2/FZ-1)降解效率分别为:80%、78%、13%、14%,说明微波辅助异相光芬顿体系可以有效、快速地降解MEV。确定在微波辅助异相光芬顿体系下,FZ-1的最佳投加量为0.4g/L, H2O2的最佳浓度值为5.28mmol/L,降解pH范围在3-10之间,并且催化剂FZ-1保持较好的稳定性,铁流失量低于2.2mg/L,催化剂5次循环对MEV的降解效率均在90%以上(降解时间为21min)。研究发现非均相反应是MEV的主要降解路径,而铁流失导致的均相反应是MEV降解的次要路径。(3)根据LC/MS/MS以及GC/MS分析推测MEV中间体结构,在此基础上探讨MEV在微波异相光芬顿体系的降解机理,并采用理论计算进行验证。降解历程首先为N,N上的脱甲基反应,其次与OH发生加成反应,发生脱苯环反应,最后为开环反应。并且实验发现MEV降解过程中新的反应历程:脱-NH2或(-NH(CH3)、-N(CH3)2)反应。(4)当反应条件为:H202浓度80mmol/L, FZ-1投加量5g/L,初始pH值7.45,无极灯11根时,采用500mg/L的MEV模拟工业染料废水,在流动式微波异相光芬顿体系中反应6min,MEV脱色率达到90%,H2O2的利用率高于80%,并且MEV的COD值降低56.42%。
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