稀土-Fe3O4-CD复合材料制备及催化过氧化氢降解阳离子染料的性能研究

作     者：王昕怡 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马春燕

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：稀土 催化降解 类芬顿反应 水热法 

摘      要：传统类芬顿催化技术凭借其pH适用范围宽、铁耗少、成本低等特点,在染料废水处理方面具有良好的应用前景。然而,部分非均相类芬顿催化剂在应用的过程中易团聚、处理效果差、回收效率低,这些都制约了该技术在工业上的推广与应用。本研究针对以上三个关键问题,以阳离子蓝X-GRL染料为研究对象,构筑了以非均相类芬顿催化技术为核心的新型处理体系,结合了吸附和催化降解的技术特点,有效解决了传统类芬顿催化技术存在的易团聚、处理效果差、回收效率低等问题。本文主要研究内容及结论如下:(1)本文采用水热法,以β-环糊精为载体,通过负载FeO和稀土镧(La)或铈(Ce),制备了两种复合材料La-FeO-CD和Ce-FeO-CD。对两种复合材料分别进行了合成条件优化研究,结果表明:当合成时间为6 h、合成温度为160℃、四氧化三铁与硝酸镧质量比为3:1时,合成的La-FeO-CD对于染料的催化降解效果最佳,降解率可达到98%;当合成时间为3 h、合成温度为140℃、四氧化三铁与硝酸铈质量比为3:1时,合成的Ce-FeO-CD对于染料的催化降解效果最佳,降解率可达到99%。(2)利用SEM、TEM、XPS、FTIR、BET、Zeta电位对样品形貌、结构进行表征,对样品性能进行分析。结果表明:采用水热法制备的稀土-FeO-CD复合材料结构疏松、颗粒分散;La、Ce、Fe被成功合成在β-环糊精上;镧、铈以正三价形式存在;La-FeO-CD和Ce-FeO-CD均有较高的比表面积,能为污染物提供更多的接触位点;La-FeO-CD和Ce-FeO-CD的等电点分别在pH=2.19、2.34处。(3)通过吸附动力学、吸附等温线模型等拟合,分析了两种稀土复合材料的吸附性能并推测其吸附机理。结果表明:在最适吸附条件下,La-FeO-CD、Ce-FeO-CD复合材料对染料均有较高的去除率,分别达到92.26%、77.79%。准二级动力学模型更适用于两种复合材料吸附数据的拟合,这说明化学吸附机制是影响其吸附进程的关键因素。吸附速率不只受内扩散控制,边界层的吸附也在一定程度上控制了吸附速率。Freundlich等温线模型同样适合La-FeO-CD、Ce-FeO-CD复合材料的吸附数据的拟合,说明染料分子与材料之间的反应为不均质的相互作用。推测La-FeO-CD、Ce-FeO-CD复合材料的吸附机制主要包括羟基络合、静电吸引以及物理吸附。(4)考察了影响两种复合材料催化降解性能的实验条件,通过循环降解实验考察其重复使用性,深入研究紫外可见光吸收全谱动态变化,并辅以自由基捕获实验及ESR自由基鉴定实验,多方面探究La-FeO-CD、Ce-FeO-CD复合材料催化降解染料的机理。结果表明:相较于传统芬顿反应的pH要求,当pH为弱酸性甚至中性时,La-FeO-CD、Ce-FeO-CD复合材料仍有较好的催化降解性能;对于高浓度的染料,两种复合材料同样具备较高的降解能力。循环降解实验证实了两种材料均有较高的重复使用性,损失率10%。通过紫外可见光吸收全谱动态变化分析、自由基捕获及ESR自由基鉴定实验可知,该体系中染料的发色基团被迅速破坏,且羟基自由基在其中发挥了主要作用。La-FeO-CD、Ce-FeO-CD复合材料主要通过吸附、类芬顿及芬顿氧化这三种效应去除污染物。