载铁有序介孔硅的合成及其在非均相芬顿催化中的应用

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为了解决均相芬顿催化中反应pH值低、铁离子溶出量高及催化剂再利用的问题,提出以短孔道有序介孔硅为基体制备载铁介孔硅催化剂的研究思路,同时考量催化剂中不同铁状态对非均相芬顿催化的影响。以三嵌段共聚物P123为模板,正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,在金属盐(ZrOCl2·8H2O+Ce(NO3)3·6H2O)的水解作用下得到短孔道有序介孔硅前驱体,经与铁盐固相研磨、不同温度下(氮气气氛)热处理后制备出了一系列载铁短孔道有序介孔硅复合材料(记为Fe/ZCS).利用有序介孔硅的高比表面积、丰富硅羟基实现对铁物种的分散和固定。模板剂在合成过程中起到了双重作用:一方面,利用其与TEOS的自组装形成材料骨架;另一方面,通过后期高温热解成为碳后可原位还原氧化铁为零价铁,改变热处理温度后可以实现样品中氧化铁和零价铁比例的调控。采用XRD、SEM、TEM、N2吸附-脱附和TPR对材料的结构和性能进行了表征。以苯酚作为目标污染物,对铁状态不同的Fe/ZCS催化材料的降解性能进行评价,并与长孔道的载铁SBA-15的催化性能进行了比较。结论如下:不同温度热处理下得到的Fe/ZCS材料在载入铁后仍保持有序的介孔结构,铁物种均匀分散于硅基体中,并以氧化铁和零价铁的形式存在。材料在非均相芬顿催化中体现出优异的催化活性。在H2O2/苯酚为1.5倍计量比,初始浓度为100mg/L,材料投加量为1g/L,反应温度为60℃的条件下,Fe/ZCS材料3次回用后对苯酚的去除效果依然能保持在90%以上,同时铁溶出量也很小,第三次回用铁溶出量仅为2.38mg/L。苯酚在催化反应中转化成了小分子有机酸和难降解的苯醌,总有机碳的去除得到了提高。与活性组份近似为单一氧化铁或零价铁的Fe/ZCS相比,具有氧化铁和零价铁共存状态的Fe/ZCS在不同反应温度下对苯酚都有着更加优异的催化性能。随着反应温度的升高,其高催化效率越明显。与长孔道的载铁SBA-15相比,短孔道的Fe/ZCS催化活性更高。加大H2O2浓度和材料投加量都可以使Fe/ZCS活性明显增加,但过量的H2O2浓度会抑制材料的活性。在反应温度未达80℃时,载较多氧化铁的Fe/ZCS催化效果均优于载较多零价铁的Fe/ZCS。反应温度达80℃时,载较多零价铁的Fe/ZCS的催化活性比载较多氧化铁的Fe/ZCS要高的多。
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