环糊精修饰的非结晶态铁锰氧化物活化PMS降解双酚A的研究

作     者：陈鑫雨 

作者单位：华东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周彦波

授予年度：2023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：过氧单硫酸盐 双酚A 过渡金属氧化物 β-环糊精 

摘      要：双酚A(BPA)作为一类典型的新污染物(ECs)在太湖、辽河以及珠江流域等均有检出,给人类健康和生态环境带来了严重威胁,被上海市等多地列入重点管控新污染物清单。BPA作为一种常见的内分泌干扰物,传统的污水处理工艺难以完全将其去除。因此,本文针对水中BPA等微量新污染物去除难的问题,基于过氧单硫酸盐(PMS)开展高级氧化技术的研究。本研究构造了β-环糊精(β-CD)修饰的铁锰双金属氧化物,针对传统高级氧化技术面临着低浓度去除效率差和共存水基质干扰等问题,创新性地利用双金属促进金属价态循环并提出环糊精超分子富集痕量污染物排除共存基质的策略,并阐明环糊精基催化剂在强化内分泌污染物去除的增效机制。主要研究内容如下:(1)环糊精具有富集痕量污染物的能力,并极化催化剂的局部电荷从而提升催化性能。本研究首先将β-CD引入铁锰氧化物的制备过程,使用简单的共沉淀法制备了环糊精修饰的非晶态铁锰氧化物催化剂(CDMFO)。研究发现,CDMFO非晶态催化剂比晶体材料具有更高的催化活性,且粒径减少约70%、孔容提高约72倍、比表面积提高225倍。该催化剂相较于传统铁锰双金属催化剂具有更多的吸附-催化位点,并具有合成简单、可重复强等优点。(2)基于上述环糊精修饰的铁锰氧化物催化剂,以双酚A为模型化合物开展催化剂构型调控、运行工艺参数优化等研究。最终确定了最佳铁锰比例、最优的β-CD投加量、催化剂和PMS投加量,以及最适宜的pH。当Fe/Mn=2:1、β-CD投加量、催化剂和PMS投加量分别为0.2 mmol、0.4 g/L和0.5 mM时,20 mg/L的BPA溶液能在15 min内被完全降解。(3)为了研究铁锰双金属催化剂的催化氧化机制以及环糊精的增效机理,开展了自由基捕获和淬灭、高价铁Fe(Ⅳ)和中间价态Mn(Ⅲ)的验证等实验。结果表明,活性氧物种主要在催化剂的表面产生。首先,CDMFO-2/1表面上的Mn2+和Fe2+激活PMS产生SO4·-,接着,SO4·-进一步与其他物质反应产生·OH、·O2-和1O2,在此过程中Fe2+和Mn2+价态分别升高为Fe4+和Mn3+,最后,高价物种相互反应实现价态循环。相较于传统高级氧化体系,该催化氧化体系显著降低了毒性中间体数量,一定程度上避免了二次污染问题。(4)基于上述研究内容,进一步验证了 CDMFO-2/1/PMS体系的实际水处理的潜力。CDMFO-2/1/PMS体系对水体中常见阴阳离子和腐殖酸具备一定的抵抗能力;且在五次循环后,CDMFO-2/1/PMS体系对20mg/L的BPA降解率仍能达到50%以上,并对酚类物质具有很高的识别性。构建了连续流动反应柱实验装置,当进水流速为180mL/h,进水浓度为5 mg/L以及反应区填充高度为9 cm时,柱实验装置能够长效稳定的运行12 h以上。综上所述,本文针对水体中微量内分泌污染物高效去除的难题,利用铁锰双金属的价态循环能力及环糊精污染物识别、富集、增效降解的效应,为新污染物的强化去除策略提供了理论和技术支撑。