硼对零价铁降解偶氮染料效率的影响及机理研究

作     者：解岳霖 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢盛辉

授予年度：2020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）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：铁基非晶合金 偶氮染料 降解 零价铁 结晶 

摘      要：本文利用电弧熔炼、铜辊甩带和球磨法制备了不同硼含量的铁基非晶合金粉末,利用球磨法和热处理制备了具有不同硼含量的铁基晶态金属粉末,探究了硼含量对零价铁及铁基合金降解偶氮染料的影响,同时系统地研究了硼含量对铁基非晶合金完全晶化后降解性能的影响,分析了Fe-B化合物对铁基晶态合金降解偶氮染料的影响。本文还探究了不同的降解环境对降解偶氮染料的影响。此外,在以上基础上,本文设计并利用球磨法和烧结合成制备了新的Fe-FeB粉末,探究了不同的硼含量和烧结时间对降解性能的影响。研究表明,利用球磨法制备Fe-B晶态金属粉末降解偶氮染料甲基橙溶液的性能要优于相同成分的Fe-B非晶粉末。其中C-FeB的降解速率常数k为0.063 min,约为A-FeB的1.7倍。此外发现硼元素的加入明显提高降解效率,因此利用球磨法,以铁基非晶合金FeSiB粉末为基底,制备镶嵌晶态硼颗粒,且表面形貌适中的Fe-Si-B非晶合金粉末。降解实验结果显示晶态硼的加入可以提高降解性能,其中当硼的总含量达到30 at%时,其降解速率常数k为0.132 min,约为FeSiB粉末的3.8倍。对不同硼添加量的FeSiB粉末进行退火晶化后发现,低硼含量的FeSiB非晶合金粉末在退火结晶后,降解性能下降近9倍;高硼含量的(FeSiB)78.7B21.3非晶粉末在退火结晶后,降解性能提高近2.5倍。这是由于高硼添加量的材料退火后形成大量Fe-B基金属间化合物,这些Fe B化合物具有比铁更低的电极电势和更强的还原性,从而和Fe形成原电池,促进降解。研究表明,在不同硼含量的Fe B基非晶合金及晶态体系中,有三种原电池促进MO降解:第一种为非晶基体中的富铁团簇和贫铁团簇组成的原电池;第二种为球磨的晶态硼颗粒与非晶基体之间的电势差使其构成了原电池结构;第三种为结晶后的Fe B化合物与铁基体之间组成的原电池。基于Fe B化合物优异的性能,本文采用球磨后续烧结的方法制备了不同硼含量的Fe-FeB粉末。提高硼添加量后,FeB含量提高,降解性能效率提高。此外,硼含量的提高使表面生成更多的疏松多孔的结构,从而提高比表面积,并提供了有利的通道形成原电池结构,加快反应。其中硼含量为8 at%时其降解速率为纯铁的近3倍,当硼含量为17 at%时,其降解性能达到最高,其降解反应速率常数为0.246 min。硼添加量和退火时间会影响表层FeB的含量和结构,当形成致密的FeB层时,阻隔了里层的铁,切断了原电池结构,因此降解速率大幅下降。但随降解继续,致密的FeB层会慢慢被消耗,使新的铁暴露出来,形成原电池,加速降解。因此,FeB层的厚度及结构会影响降解速率,但硼含量会最终决定终了降解率,如FeB-3H、FeB-6H、FeB-9H和FeB-12H在60 min时的最终降解率分别为99.15%、98.81%、97.36%和96.35%。本研究探究了Fe B基零价铁高效降解偶氮染料的作用机制,并设计了低成本的含硼零价铁催化剂,为工业处理偶氮染料废水提供了一种绿色、高效、低成本的方法。