基于负载型磷钨酸的光催化体系对水中全氟辛酸的脱氟研究

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全氟辛酸(Perfluorooctanoic acid,PFOA)因其独特的物化性质,被广泛用于化学工业、纺织业及家庭用品等行业。研究者在各种环境介质、生物体以及人体中都有检测到PFOA。PFOA性质稳定,具有生物积累性,对生物体和人体具有潜在毒性作用,因此,如何有效的控制这类化合物成为环境科学领域的一个焦点问题。磷钨酸(H3PW12O40·x H2O,HPW)因其强酸性、氧化还原性,在催化剂、医用药品、磁性材料等方面得到广泛的应用。介孔材料SBA-15是一种比表面积高、热稳定性好、骨架排列有序并且易于改性的材料,近年来常被作为基体材料使用。本研究采用溶胶-凝胶和水热合成法合成复合材料HPW/SBA-15,考察不同负载量对材料的影响,并采用XRD、SEM、TEM等表征手段对其进行表征分析;采用真空紫外灯和HPW/SBA-15构建光催化体系对PFOA的脱氟进行研究。考察HPW/SBA-15投加量、HPW负载量、初始pH值以及PFOA初始浓度对HPW/SBA-15-VUV体系脱氟PFOA的影响;采用响应曲面法(RSM)对HPW/SBA-15-VUV体系的影响因素进行排序并确定运行调控策略;采用LC-MS/MS对PFOA及其中间产物进行定性定量分析,并对体系中的氟进行物料衡算,探讨HPW/SBA-15-VUV体系降解PFOA的机理,确定脱氟途径。结果表明,本研究中成功制备出了复合材料HPW/SBA-15。HPW/SBA-15保留了介孔材料的有序孔道,磷钨酸在负载过程中也保持了相应的Keggin结构。HPW/SBA-15-VUV体系对PFOA具有明显的脱氟效果,在优化条件下,120 min脱氟率可达31.66%,单独的VUV体系对PFOA的脱氟率仅为12.73%;PFOA的脱氟增长曲线在VUV体系和HPW/SBA-15-VUV体系中均符合反应一级动力学,动力学反应速率常数分别为0.00105 min-1和0.00325 min-1,HPW/SBA-15-VUV体系对PFOA的脱氟率可达VUV体系对PFOA脱氟的3.1倍。RSM结果分析说明回归方程拟合度较好,HPW/SBA-15-VUV体系对PFOA脱氟的影响因子排序为初始pH值>HPW/SBA-15投加量>PFOA初始浓度。pH值为4~5的范围内与PFOA脱氟率表现出强负相关性;PFOA初始浓度和HPW/SBA-15投加量与PFOA脱氟率呈微弱的正相关性及负相关性。PFOA在HPW/SBA-15-VUV体系中主要被降解为F-和短链的全氟化合物(PFCs,(C2~C7)),PFOA在整个体系中是一个逐步脱氟的过程。HPW/SBA-15-VUV体系对PFOA的作用机理主要体现在两个方面,直接光解作用和HPW/SBA-15光催化作用。
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