具有双反应活性中心Cu-Al2O3-g-C3N4类芬顿催化剂及·OH选择性转化机理研究

采用水热合成法制备Cu-Al₂O₃-g-C₃N₄类芬顿催化剂,以扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、电子自旋共振（EPR）、拉曼光谱（Raman）对所制备的催化剂及反应过程进行表征.以染料亚甲基蓝（MB）和罗丹明B（Rh-B）及小分子有机物2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）、双酚A（BPA）和苯妥英（PHT）为目标污染物,研究催化剂在初始pH=7条件下的类芬顿催化活性.同时,探讨Cu掺杂量和有机物配体g-C₃N₄掺杂量对体系催化性能的影响,并验证晶格氧诱发与有机配体络合两种方式对催化剂活性和稳定性提高产生的影响.DMPO-EPR自由基测定实验及Raman光谱监测催化反应过程验证表明：Cu的晶格氧掺杂诱发了靠近铜晶格O₂^·-的富电子Cu中心,以及靠近铝晶格O₂^·-的缺电子Al中心;引入的g-C₃N₄以阳离子π作用形式通过σ-型Cu—O—C键桥将π体系上的电子转移至Cu,形成一个新的缺电子π中心.在H₂O₂存在的情况下,富电子Cu中心将电子传递给H₂O₂,使其被还原为·OH;同时,体系中H₂O的电子被缺电子中心剥夺,进而氧化为·OH.羟基自由基转化率TOFs值的进一步计算结果表明,Cu-Al₂O₃-g-C₃N₄体系中TOF值为0.516 s^-1,是传统均相芬顿体系TOF值（1.53×10^-2 s^-1）的33倍以上.     

Template-free synthesis of inorganic hollow spheres at water/“water-brother”interfaces as Fenton-like reagents for water treatment

This paper reports a template-free method to synthesize a series of inorganic hollow spheres (IHSs) including Cu-1, Cu-2, Ni-1, Ni-2 based on mineralization reactions at water/“water-brother” interfaces. “Water-brother” was defined as a solvent which is miscible with water, such as ethanol and acetone. The water/“water-brother” interfaces are very different from water/oil interfaces. The “water-brother” solvent will usually form a homogenous phase with water. Interestingly, in our method, these interfaces can be formed, observed and utilized to synthesize hollow spheres. Utilizing the unique porous properties of the spheres, their potential application in water treatment was demonstrated by using Cu-1 IHSs as Fenton-like reagents for adsorption and decomposition of Congo Red from aqueous solution. The final adsorption equilibrium was achieved after 30 min with the maximum adsorption capacity of 86.1 mg/g, and 97.3% removal of the dye in 80 min after adsorption equilibrium. The IHSs can be reused as least 5 times after treatment by NaOH. This method is facile and suitable for large-scale production, and shows great potential for watertreatment.     

Fe3O4/CeO2复合材料催化降解橙黄G的效能及降解途径

为研究磁性纳米Fe₃O₄/CeO₂复合材料在高浓度难降解有机废水处理中的应用,利用共沉淀法制备Fe₃O₄/CeO₂复合材料,并将其作为非均相类Fenton催化剂降解橙黄G染料废水,利用单因素法优化出最佳降解工艺,同时利用TOF-MS/MS(飞行时间质谱)检测降解中间产物,推测出可能降解途径.结果表明,当Ce/Fe为1 :1(质量比)时制备的Fe₃O₄/CeO₂复合材料催化效果最佳.最佳降解工艺条件:初始pH为2.0,温度为30 ℃,H₂O₂投加量为30 mmol/L,Fe₃O₄/CeO₂复合材料的投加量为2.0 g/L,初始ρ(橙黄G)为50 mg/L.在最佳降解工艺条件下反应120 min后,橙黄G去除率为96.2%,TOC去除率为65.0%,Fe₃O₄/CeO₂复合材料至少可重复利用6次.研究显示,橙黄G降解主要有三条可能的降解途径,包括偶氮键断裂、偶氮键与苯环断开、脱磺酸基、羟基化以及开环等过程,共检测出八种可能的降解中间产物,主要有苯胺、苯酚、萘酚以及羧酸等.      

以一种黏土矿物材料为非均相类芬顿催化剂对甲基橙的降解

为实现以甲基橙为代表的偶氮类染料的高效降解,采用一种黏土矿物材料——Quantum Energy? Radiating Material（下称QE）为催化剂,系统分析了其在非均相类芬顿反应中的催化剂协同静态吸附作用,并考察了不同因素对甲基橙去除效果的影响,同时基于降解过程中Fe2+和总Fe析出量（以ρ计）、·OH等的变化过程,探讨了QE降解甲基橙的作用机制.结果表明,QE对甲基橙具有良好的吸附作用,同时,其作为非均相类芬顿催化剂对甲基橙的降解受到pH、温度、c（H₂O₂）、催化剂投加量等因素的影响.优化后的降解条件:初始ρ（甲基橙）为50 mg/L、QE投加量为5 g/L、c（H₂O₂）为100 mmol/L、pH为2、温度为60℃,在该条件下反应40 min后,甲基橙的去除率可达到99%.以叔丁醇作为·OH淬灭剂,随着c（叔丁醇）的增高,反应体系中甲基橙的去除率随之下降,说明·OH在该体系甲基橙降解中起重要作用;对在反应过程中Fe2+和总Fe析出量的监测数据表明,体系中QE对甲基橙的降解为均相芬顿反应、非均相芬顿反应和吸附作用协同作用的结果.研究显示,以QE为催化剂,通过吸附协同催化氧化作用可以有效处理含甲基橙的染料废水.      

微波耦合类Fenton处理水中对硝基苯酚

针对对硝基苯酚环境危害大、难生物降解的特点,为克服传统Fenton适用pH范围窄的缺点,制备了CuO催化剂,并对微波耦合类Fenton氧化对硝基苯酚溶液进行了实验研究,考察了H2O2投加量、催化剂投加量、微波功率、辐照时间、溶液初始pH对PNP去除效果的影响.结果表明,在H2O2和催化剂投加量分别为0.06mol/L和0.3g/L,微波功率125W,不调节溶液初始pH(约为6)的条件下,初始浓度为50mg/L的PNP溶液反应6min去除率达92%, TOC去除63%.比较不同氧化体系,得到微波能够增大微波耦合类Fenton体系中?OH的生成量,从而提高对PNP的去除率.实验表明,CuO催化微波耦合类Fenton作为一种新型类Fenton反应,能克服传统Fenton适用pH范围窄的局限性,并且显著提高反应效率,拓展了Fenton反应在废水处理中的应用.     

五氧化二钒类Fenton降解邻苯二甲酸二乙酯的机制研究

发展了基于五氧化二钒(V_2O_5)和过氧化氢(H_2O_2)的新型类Fenton体系,探索了此体系产生羟基(·OH)的机制及降解邻苯二甲酸二乙酯(DEP)的效率;并考察了V_2O_5投加量、H_2O_2浓度,以及草酸对DEP降解的影响。结果表明,当V_2O_5投加量为0.1 g·L-1,H_2O_2浓度为2.0 mmol·L-1,反应24 h后,对DEP(25 mg·L-1)的降解率可达61.1%,增加或降低V_2O_5投加量和H_2O_2浓度均不利于DEP的降解。利用电子顺磁共振技术(Electron Paramagnetic Resonance,EPR)耦合5,5-二甲基-1-吡咯啉氮氧化物(DMPO)为捕获剂对反应体系中的主导自由基进行鉴定,发现·OH是体系降解DEP的主要活性物种,利用苯甲酸作为探针分子实现了·OH的间接定量,并初步推测了V_2O_5活化H_2O_2的过程。     

神经节苷脂生产废水处理技术研究

针对神经节苷脂生产废水蛋白质含量高的特点，研究了等电点沉淀或混凝沉降预处理、厌氧好氧生物处理、化学沉淀和类Fenton氧化后处理组合工艺处理神经节苷脂生产废水的技术。结果表明，神经节苷脂生产废水的等电点在pH=2.2左右，通过等电点沉淀可去除30%以上的COD，但等电点时蛋白质的沉淀速度非常慢；用聚合硫酸铁对神经节苷脂生产废水进行混凝预处理的最适工艺条件是：pH=7～7.5，聚合硫酸铁用量＝500～750 mg/L。在优化条件下，混凝预处理可以使神经节苷脂生产废水的COD从27 000 mg/L左右降到13 000 mg/L左右。混凝预处理后的神经节苷脂生产废水经48 h厌氧和84 h好氧生物处理，COD值进一步下降到600 mg/L左右。然后向每升生化出水中加入2～3 mmol Fe³⁺,通过化学沉淀作用除去其中的磷酸盐，过量的Fe³⁺作为后续类Fenton氧化的催化剂。当H₂O₂(30％)用量为2～3 mL/L时，最终出水的COD值可以达到国家一级排放标准。     

稀土元素Pr辅助的类Fenton试剂氧化法处理染料废水

以靛蓝为目标污染物，采用稀土元素Pr辅助的类Fenton试剂氧化法处理模拟染料废水。制备了双金属氧化物催化剂Fe_2-xPr_xO₃，考察了催化剂中n（Pr）∶n（Fe）、催化剂加入量、初始靛蓝质量浓度、H₂O₂加入量、废水pH对废水脱色效果的影响。实验结果表明：Pr在很大程度上提高了类Fenton反应的效率，废水脱色率得到显著提高；在n（Pr）∶n（Fe）=1∶5、初始靛蓝质量浓度为30 mg/L、催化剂加入量为500 mg/L、H₂O₂加入量为40 mL/L、废水pH为3的最佳工艺条件下，反应50 min时废水脱色率达到92.78%。     

New Fe-immobilized natural bentonite plate used as photo-Fenton catalyst for organic pollutant degradation

Novel photo-Fenton catalysts were prepared by immobilizing iron species on commercial bentonite plates via two methods: (1) ion exchange reaction (Fe³⁺ vs. Na⁺) by aqueous suspension powder-clay/FeCl₃ followed by plate preparation, and (2) forced hydrolysis of Fe(NO₃)₃ onto a prefabricated clay plate. The last method led to a more photo-active Fe-oxide/bentonite plate. This material allowed, at a non-adjusted initial pH of 5.5 and in the presence of H₂O₂, the total degradation of resorcinol and 55% mineralization in 80 and 100 min of irradiation, respectively. The reached degradation percentages were correlated to the presence of dissolved iron, demonstrating that in these processes, the homogeneous photo-Fenton reactions were mainly responsible for the resorcinol elimination.Likewise, in slurry system, where clay has normally an increased surface area, there was no increase in activity because of a reduced leached iron probably due to the diminished light penetration in the suspension. Despite the lower surface area, in comparison to that of the slurry, the clay plates have the advantage, as heterogeneous photo-catalysts, that separation of the reaction media after treatment is not needed, and thus, a potential use for batch and continuous reaction systems is proposed.     

用H2O2/Fe3+处理高浓度含甲醛废水的研究

研究采用H₂O₂/Fe³⁺催化氧化处理高浓度含甲醛废水，探讨了双氧水和催化剂投加量、反应pH及反应温度等操作条件对处理效果的影响，并通过酸溶解回用失活催化剂。结果表明，较优的操作条件为：H₂O₂/COD（质量比）=2.2～2.6，Fe³⁺/H₂O₂（摩尔比）=0.048～0.058，反应pH 1.80～2.68，反应温度50℃，反应时间40 min；在上述操作条件下，甲醛去除率达到99%以上，COD去除率达到85%以上。失活的催化剂可通过稀酸溶解后循环使用，其效果与三价铁盐作催化剂的基本相同。采用H₂O₂/Fe³⁺处理含甲醛废水具有比采用H₂O₂/Fe³⁺较优的效果。