磁性铁基材料类芬顿催化剂的制备以及对有机污染物的降解研究

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环境污染问题已经成为阻碍人类文明向前发展的一个世界性难题,如何有效解决这一问题并达到可持续发展的目的,成为科研人员的首要任务。类芬顿技术近些年来被认为是有效并且没有二次污染的环境友好型处理方法。磁性铁基材料能够在对污染物进行降解之后实现有效回收,成为了类芬顿领域的研究热点。以Fe3O4和Fe3S4为代表的磁性铁基类芬顿催化剂在可见光的照射下表现出优异的去除污染物性能,并且展现出较好的稳定性。但是材料中铁的流失也是目前需要关注的问题,材料中的铁会进入到水体环境中,对环境造成再次的污染。同时,类芬顿反应需要的低pH一直是限制其在实际工厂中应用的原因之一。有鉴于此,本文以Fe3O4和Fe3S4磁性铁基材料为类芬顿催化剂回收体,将g-C3N4、Ce O2、Cu2O、MoS2分别进行复合。以合成能够降低铁的流失,或者拓展类芬顿反应pH范围的优良材料。采用不同的表征手段,详细的探究所制备的可见光类芬顿催化剂中,晶体形状、表面样貌、电位特性等,同时为了寻找影响催化剂性能的原因,改变材料在可见光降解过程中的各种参数,包括pH、温度、投加量等,以及对光催化反应过程中的主要活性基团也进行了探讨。本文的主要研究内容如下:(1)用一步水热合成法制备以g-C3N4为骨架搭载磁性Fe3O4,同时以半导体Ce O2做助催剂的复合材料(FCG)作为可见光类芬顿催化剂。按照三种物质不同的质量比例制备,当复合材料的质量比为1:0.75:0.75(F1C0.75G0.75)时,可见光的对四环素(TCH)的催化效果最佳,表现出最高活性,在180分钟后F1C0.75G0.75对TCH的去除率达到95.63%。此外,还探索了不同pH值、催化剂添加量、H2O2浓度和温度对复合催化剂的影响以及机理。在对催化体系中自由基诱捕剂的测试和金属含量进行定量分析时发现,TCH被羟基自由基攻击的位置主要在催化剂表面上。而与Fe3O4/Ce O2相比,F1C0.75G0.75中Fe的浸出率更低,实现了复合材料中Fe的固定作用。经过五次可见光催化循环之后(每次光照3小时),F1C0.75G0.75光催化剂对TCH的去除效率仍能达到90%以上。(2)通过水热合成法制备了Fe3S4/Cu2O的可见光类芬顿复合物,确定了两种物质的最佳质量配比为1:1。利用XRD、XPS以及SEM等表征手段,分析其表面特性。在对复合物进行不同温度、不同pH、不同催化剂投加量等实验证明,该催化剂具有较低的活化能,在提供较小能量的情况下,可以打破能量壁垒,实现对有机物的催化。不同pH的实验证明,在中性条件下,复合催化剂也能够具备一定的催化效果,这是因为两种物质的协同作用导致。最后通过不同投加量的实验可以看出,该材料可能会溶出较多的Cu+导致H2O2的利用率下降,使得降解效果下降。本章节制备的Fe3S4/Cu2O可见光催化复合材料,具有增强酸性条件下的降解效果和拓展到中性环境的能力,旨在为废水处理工作人员提供理论支持和数据参考。(3)通过水热合成法制备了Fe3S4/MoS2可见光类芬顿复合催化剂,并在可见光下探究了不同复合物质量配比、不同温度、不同pH、不同催化剂的投加量、不同H2O2投加量等运行参数对降解盐酸四环素的影响。同时检测水溶液中TOC、H2O2、金属离子的含量变化趋势。结合XRD、傅里叶红外光谱、Zate电位的结果显示,这两种复合物的结合能够在一定程度上抵抗pH对降解性能的影响。在pH=7.2的条件下,相比较纯的Fe3S4和MoS2,最佳质量配比的降解效率分别提高了376.37倍和5.45倍,并且可以在光催化20分钟内降解79.89%以上,极大地提高了其在工业等方面的实用价值。Zate电位显示,这是由于复合物的表面在水溶液中,表面呈电负性,可以自行吸收水溶液中的氢离子,在表面形成一层酸性薄膜。同时Fe3S4/MoS2之间形成的协同作用能够有效提高Fe2+在酸性环境下的转换速率,提高催化效果。
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