马钢自循环含锌电炉灰的光催化活性及其改性研究

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含锌电炉灰因可观的铁、锌含量而具备显著的资源属性,其材料化高附加值利用研究渐成热点,但其本身的功能性却鲜见研究报道。含锌电炉灰中的铁和锌主要以各自的氧化物和复合氧化物的形式存在,这些氧化物均有较好的光催化性能。本工作以马钢自循环含锌电炉灰为对象,对其组成、物相结构和电化学性质进行系统研究,探索了水洗、球磨和热处理改性对其光催化活性的影响,为该类二次资源的高附加值利用研究提供新的思路和数据支撑。研究发现,马钢自循环含锌电炉灰主要由Fe OOH、Zn Fe2O4和Fe3O4组成,另有少量的Zn O和其它微量杂质相,微观形貌呈球形颗粒,平均粒径452.9 nm。含锌电炉灰本身具有一定光电响应和光催化降解水中有机污染物的能力,在可见光照射7 h时,含锌电炉灰对酸性橙Ⅱ(AOⅡ)的降解率达90.46%,且3次循环降解的降解率分别为90.46%、88.29%和86.26%,具有很好的循环稳定性,可以循环使用。对含锌电炉灰进行水洗和球磨(以水为分散介质)改性,水洗时间分别为0.5h、1 h、3 h和20 h,球磨转速为500 r/min、时间分别为2 h、5 h和10 h。研究发现,水洗和球磨均未明显改变其主要物相组成,但均降低其可溶性杂质含量。球磨在减小含锌电炉灰粒径的同时有加剧其颗粒团聚的倾向。与未处理含锌电炉灰相比,水洗和球磨使含锌电炉灰对AOⅡ的7 h光催化降解率分别下降5%和20%左右,水洗和球磨时间对含锌电炉灰光催化活性的影响不显著。研究结果表明,水洗和球磨改性对含锌电炉灰的光催化活性有抑制作用。基于TG-DSC分析结果,对含锌电炉灰进行了焙烧改性研究(分别于260℃、510℃、650℃、770℃和1000℃焙烧5 h)。研究发现,焙烧后含锌电炉灰的主要物相仍为铁酸锌和四氧化三铁,Fe OOH随焙烧温度的提高而逐渐减少、至510℃消失,Zn O含量也随焙烧温度的升高逐渐降低。焙烧含锌电炉灰的平均粒径分别为449.9 nm、555.9 nm、755.0 nm、444.2 nm和527.7nm。随着焙烧温度升高,样品的微观形貌从球状变成不规则的类球状,到最后的块状。光催化性能测试发现,260℃焙烧可显著提升含锌电炉灰的光催化活性,对AOⅡ的7 h光催化降解率达到95.92%,循环降解稳定性良好。继续升高焙烧温度,含锌电炉灰光催化活性降低。
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