随着染料合成及印染工业的废水排放量和排放种类不断增加,由此引发的环境污染日益显著。介孔二氧化硅因其比表面积大、表面官能团丰富等优点,成为吸附剂和催化剂载体的不二之选。然而,目前受硅源价格影响,制备成本较高,未能实现大规模生产。寻找合适硅源制备廉价介孔材料,在环境治理方向有着广阔的市场前景。另一方面,粉煤灰和硅灰作为工业废弃物,长期得不到合理、有效的利用,造成资源浪费、环境污染等多重问题。本研究综合介孔材料以及粉煤灰、硅灰的行业背景,结合目前我国染料废水污染严重的现状,以粉煤灰和硅灰为廉价原料制备高效吸附剂和催化剂载体,去除印染废水中的有机染料。本论文以燃煤固体废弃物—粉煤灰为原料,在乙酸乙酯催化作用下,一步水热法成功合成球形含铝介孔分子筛Al-MCM-41;以硅铁冶炼副产物—硅灰为原料,采用新工艺设备快速制备三种不同形貌介孔二氧化硅,并探讨其他组成成分,反应温度,反应时间等条件对介孔材料形貌的影响。以阳离子染料亚甲基蓝为吸附对象,研究四种介孔材料吸附性能。除直接用作高效吸附剂,球形硅灰基介孔二氧化硅还可用作催化剂载体,通过负载双金属氧化物得到两种非均相芬顿催化剂,并以亚甲基蓝为降解对象,对合成催化剂的催化性能进行了系统评价。具体设计思路与创新点如下:(1)以燃煤固体废弃物粉煤灰为原料,采用一步水热法合成球形形貌含铝介孔分子筛Al-MCM-41,使介孔分子筛的工业化生产成为可能。所制备介孔分子筛对阳离子染料废水呈现高效吸附性,在染料废水治理领域有较大应用前景。(2)以硅金属或硅铁合金行业产生的工业冶炼副产物硅灰为原料,采用医学用高压灭菌设备为反应器,通过控制催化剂乙酸乙酯添加量,采用水热法快速合成三种不同形貌介孔二氧化硅,合成介孔二氧化硅粒子在微米级别且尺寸可调。(3)选择轻质、多孔、吸附能力强、比表面积大的球形硅灰基介孔二氧化硅为载体,通过负载铁-铜或者锰-铜双金属氧化物,开发了两种新型双组分非均相Fenton催化剂,用于染料废水的处理。对于Fe Cu/SF-S-MCM催化剂,负载的Fe2O3和CuO之间的存在协同效应可加速催化反应的进行。对于MnCu/SF-S-MCM催化剂,负载的Mn和Cu以尖晶石形式存在于CuMn2O4的特殊结构中,使其具有较好的吸附性能和催化性能。本论文主要得到以下结论:(1)以粉煤灰为原料,CTAB为表面活性剂,乙酸乙酯为催化剂,采用一步水热法成功合成具备蜂窝结构特征的球形形貌含铝介孔Al-MCM-41。单因素制备实验显示:乙酸乙酯添加量不仅影响介孔分子筛颗粒尺寸,而且对介孔分子筛结构有一定影响;晶化温度和晶化时间在一定程度上影响着颗粒的分散性和圆球度。通过单因素实验得到球形介孔吸附剂的最佳工艺条件:乙酸乙酯添加量为10 mL,晶化温度为60°C,晶化时间为12 h。(2)以硅灰为原料,CTAB为表面活性剂,采用新的工艺设备,快速合成介孔二氧化硅,将晶化时间由原来的48 h大大缩短至1.5 h。通过控制催化剂乙酸乙酯添加量,得到三种不同形貌介孔二氧化硅,同时研究发现乙酸乙酯添加量不仅影响产品形貌还影响介孔材料有序性。采用单因素实验设计方案考察硅灰/CTAB摩尔比、体系水含量、晶化温度、晶化时间以及外加无机盐五个因素对介孔二氧化硅形貌的影响,通过以上实验因素调节介孔二氧化硅颗粒形貌和尺寸。(3)静态吸附实验讨论了溶液初始pH值,吸附平衡时间,溶液初始浓度以及吸附温度对四种吸附剂的影响。实验结果表明,溶液pH值的升高有利于四种吸附剂对亚甲基蓝的吸附,且均在pH为10.0时达到最大吸附量。在相同浓度下,三种硅灰基介孔二氧化硅在30 min达到吸附平衡,快于Al-MCM-41吸附剂(120 min)。四种吸附剂的吸附量随亚甲基蓝初始浓度的升高而增大,直至趋于吸附平衡。数据模拟表明,四种吸附剂对亚甲基蓝的吸附过程均符合拟二级动力学模型;吸附过程更符合Langmuir模型,为单层吸附;吸附热力学研究表明,吸附反应为自发、放热过程,反应过程中混乱程度减小。(4)以球形硅灰基介孔二氧化硅为载体,负载铁-铜或者锰-铜双金属氧化物,开发两种新型双组分非均相(类)Fenton催化材料。XRD和BET多孔性能测试表明两种新型催化剂均保留了介孔二氧化硅基体材料的MCM-41介观结构。XPS结果显示,FeCu/SF-S-MCM复合催化材料中Fe和Cu元素分别以+3价和+2价的形式存在于Fe2O3和CuO金属氧化物中;而MnCu/SF-S-MCM复合催化材料中Mn和Cu分别以+3价和+2价的形式存在于CuMn2O4尖晶石结构中。通过改变Fe/Cu、Mn/Cu摩尔比例,制备多种不同金属氧化物负载比例的复合催化材料并确定最佳配比。(5)探讨体系反应条件对亚甲基蓝降解效果的影响。降解实验结果表明:同时加入催化剂FeCu/SF-S-MCM和H2O2的体系,在光照反应45 min后,亚甲基蓝降解率可达98.38%;而同时加入MnCu/SF-S-MCM催化剂和H2O2,亚甲基蓝降解率略低,为96.51%。同时对比了相同实验条件下,基体材料SF-S-MCM对亚甲基蓝的降解率仅为50%左右,说明基体材料固载的双金属氧化物可大大提高降解效率。因此,本实验中亚甲基蓝的降解是催化剂、氧化剂(双氧水)以及紫外光照射共同作用的结果。(6)经单因素实验得出亚甲基蓝染料废水降解的最佳工艺条件。以FeCu/SFS-MCM为催化剂,当亚甲基蓝初始浓度为250.0 mg/L,催化剂投加量为0.50 g/L,H2O2投加量为0.3 mL,光照反应45 min后MB降解率可达99.31%,随着亚甲基蓝初始浓度的升高降解率有所降低,FeCu/SF-S-MCM催化剂在pH值为5.0-9.0的范围内均表现出较好的催化性能。对于MnCu/SF-S-MCM催化剂,当亚甲基蓝初始浓度为250.0 mg/L,催化剂投加量为0.50 g/L,H2O2投加量为0.5 m L,反应45min后降解率可达98.22%。随着亚甲基蓝初始浓度的升高,降解率有所降低。MnCu/SF-S-MCM催化剂在pH为3.0-9.0的范围内均表现出较好的催化性能,大大拓宽pH使用范围。