Fe-N-C非均相类芬顿催化剂的制备及其降解水中四环素性能研究

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近年来,随着我国工业化建设加快,大量工业废水的排放给水生态、水环境的保护带来了巨大的压力。其中,四环素类抗生素废水由于具有高生物毒性和低可生化性的特点,受到广泛关注。传统Fenton处理工艺对该类抗生素废水的处理能力有限,存在p H要求高、产生二次污染等问题。而非均相类Fenton技术由于采用固相催化剂,可以有效克服上述问题,实现各类持久性有机污染物的高效降解。本研究通过两步热解法制备了Fe-N-C非均相类芬顿催化剂,并对其化学结构、对四环素的降解效能、影响因素、催化机理和实际应用经济性进行了探究。本文以丙烯酸、氯化铁和单氰胺分别作为催化剂的碳源、铁源和氮源,按照不同铁、氮元素摩尔比制备出一系列Fe-N-C非均相类芬顿催化剂。通过SEM、TEM、XRD等表征手段对其形貌结构进行研究,结果显示此类催化剂同时含有Fe单原子和γ-Fe2O3纳米颗粒,具有大量的介孔结构。通过对四环素溶液催化降解,确定Fe-N-C-2(Fe:N=1:2)催化剂降解速率较高,30 min降解率为88.7%。通过单因素影响实验对四环素降解实验中的H2O2浓度、起始p H值、常见阴离子等影响因素进行研究。结果表明,当H2O2浓度10 m M、初始p H=4时降解效果更好;常见阴离子中Cl-和SO42-对降解过程影响不大,而HCO3-和H2PO4-的存在使得催化剂效果下降明显。通过对催化剂表面Zeta电位、自由基猝灭实验和催化剂XPS分析对Fe-N-C催化剂降解机制进行了深入研究。结果显示,吸附作用及超氧阴离子自由基(·O2-)在催化降解过程中起重要作用,且与吡啶氮相连的Fe单原子可能为Fe-N-C催化剂的催化活性位点。采用四环素制药模拟废水,开展Fe-N-C-2催化剂降解实验研究。结果表明,该催化剂在降解含高浓度草酸盐的四环素制药废水方面具有良好性能,9小时内四环素、TOC、TN的降解率分别为70.49%、35.97%和13.79%,铁离子溶出量小于5 mg/L,通过磁分离方法催化剂回收率为95.50%。通过核算和对比微电解-Fenton法和Fe-N-C/H2O2体系对四环素废水的处理成本,发现Fe-N-C/H2O2体系在处理实际四环素废水具有经济优势。综上,Fe-N-C-2催化剂可解决现有技术存在的p H值要求高、催化剂易流失、产生铁泥二次污染等问题,在处理四环素制药废水方面前景可观,值得深入研究。
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