高分散性Co-N-石墨烯的制备与催化H2O2类芬顿反应的研究

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印染等行业产生大量废弃染料,成分复杂、色度大、生物毒性高且难以被传统生物法处理,是环境污染防治面临的重大挑战。以活化H2O2等氧化剂产生高活性自由基的类Fenton反应为代表的高级氧化技术具有绿色经济、设备简单、反应迅速等优点,可以高效去除各类有机染料,在印染废水处理中潜力巨大。然而,催化活性低、氧化剂利用率低等缺点限制了类Fenton催化剂的实际应用。因此,研究开发催化活性高、稳定性好、经济且易分离的催化剂成为类Fenton技术研究的重要课题。本论文以石墨烯作为基底,双氰胺作为氮源,Co作为负载金属原子,制备了高分散的氮配位碳基金属催化剂,研究其直接催化活化H2O2或与Fe(II)共催化活化H2O2,降解亚甲基蓝、甲基橙等染料的研究。主要研究内容如下:(1)以双氰胺作为氮源,采用共沉淀法,通过负载Co作为石墨烯载体上的金属原子,制备了Co-N-石墨烯。采用SEM、TEM、HAADF-STEM、XPS、XRD、BET等表征方法对其形貌、结构、成分等进行分析,证明石墨烯负载的催化剂中存在了高度分散的Co。同时研究其对H2O2的催化分解能力,实验表明中性条件下在H2O2溶液中加入Co-N-石墨烯,明显提高了H2O2的分解速率。(2)考察不同反应条件下Co-N-石墨烯直接催化活化H2O2对亚甲基蓝的脱色能力,确定最优反应条件。研究发现,当Co-N-石墨烯中加入Co前驱体与石墨烯的质量比为8 wt.%,p H为9,H2O2浓度为400 m M时,亚甲基蓝经100 min处理后脱色率达99%,反应后溶液中COD去除率为53.1%。通过自由基清除实验和ESR确定了该体系中的主要活性物质为~1O2。循环实验表明Co-N-石墨烯具有优异的化学稳定性和可重复使用性。此外还考察了水中阴离子以及实际污水的影响,发现常见阴离子和污水并未明显抑制亚甲基蓝降解,表明该体系在复杂环境的污染物去除具有一定优势。(3)在此基础上,利用Co-N-石墨烯与Fe2+共催化活化H2O2,研究对亚甲基蓝的脱色能力,确定最优反应条件。在p H为3、H2O2浓度为5 m M、Fe2+浓度为0.1 m M的条件下,6 min后亚甲基蓝完全脱色,反应前后溶液中TOC的去除率为82.7%。Co-N-石墨烯/Fe2+/H2O2体系处理亚甲基蓝的效果明显高于传统Fenton体系,进一步证明了Co-N-石墨烯催化剂能有效活化H2O2。通过自由基清除实验和ESR确定了该体系中的主要活性物质为·OH。与此同时还研究了水中阴离子以及实际污水对于Co-N-石墨烯/Fe2+/H2O2体系的影响,研究表明该体系对实际污水中众多离子产生的副作用具有很好的抵抗性。此外,在酸性和中性条件下研究了该体系对高浓度甲基橙的脱色能力,在最优的反应条件下,80 min后对100 mg/L的甲基橙脱色率分别达到99.9±0.1%和96.6±0.3%,反应前后溶液中的TOC去除率为91.15%,明显高于传统Fenton体系的反应效果。
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