碳钴复合催化剂活化过硫酸盐降解丁基黄药的研究

作     者：徐瑗 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贺琼琼

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）] 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：过硫酸盐 直接氧化 碳钴复合催化剂 催化活化 黄药废水 

摘      要：选矿工程在我国国民经济发展中占领重要战略地位。我国每年需通过泡沫浮选处理大量硫化矿石,消耗选矿药剂数量极其庞大。高毒性、难以生物降解的黄药已成为矿区水体环境优先控制的污染物,如何高效解决黄药废水排放问题亟需解决。过硫酸盐氧化技术氧化性强、不产生二次污染、处理效率高,是近年来的研究热点。结构性能优越的碳气凝胶作为过硫酸盐的活化剂也备受关注。本研究介绍了未活化过硫酸盐对黄药的降解作用,制备了高催化活性的碳钴复合催化剂,重点评述了碳钴催化剂在过硫酸盐体系中的催化性能,揭示氧化机制、反应路径。最后对处理后的黄药废水进行毒性评估,并将催化剂应用至实际废水中,为新型碳钴催化剂的开发及选矿废水高效处理提供技术支持。（1）本文拟定常用的浮选药剂丁基黄药（BX）为目标污染物,发现未活化的过氧单硫酸盐（PMS）能高效地降解BX。2 mmol/L的PMS能在15 min内完全降解BX,而过二硫酸盐（PDS）则对BX的降解效果有限,相同剂量的PDS在60 min内仅能降解14.6%的BX。单独PMS对BX的降解行为能适应宽p H值范围,基本不受杂质离子及天然有机物影响,在废水处理中展现出很大的应用潜质。但PMS对BX的矿化程度有限,投入过量PMS能矿化39%的BX,引入Fe能有效提高BX的矿化程度至79.3%。（2）以海藻酸钠及琼脂为原料,利用其能与多价金属离子络合形成蛋盒结构引入Co,制备了琼脂、海藻酸钠交联钴的双网络气凝胶。经高温碳化后得到钴颗粒均匀嵌入碳网络的碳钴复合催化剂高效活化过硫酸盐。调节原料比例及热解温度调控催化剂催化性能,在原料配比为1:1,热解温度为800?C的条件下得到Co原子负载量高达15.07%,催化性能最优的Co@C800-1。Co@C800-1投加量为0.15 g/L,PMS、PDS浓度分别为0.25 mmol/L和1.0 mmol/L的情况下BX降解率分别为96.6%和100%。在两种过硫酸盐体系中多次循环使用Co@C800-1仍能保证90%以上的催化活性,证明了Co@C800-1良好的稳定性。（3）研究Co@C800-1在两种过硫酸盐体系中的活化方式,通过EPR自由基检测、自由基淬灭实验及Co@C800-1反应前后结构性质表征揭示Co@C800-1/PMS、Co@C800-1/PDS体系活化机理。Co@C800-1/PMS体系以非自由基途径为主,O为主要活性物种;Co@C800-1/PDS体系则以自由基途径为主,SO和·OH作为主要活性物种。Co@C800-1表面的多价Co颗粒、碳层表面缺陷、含氧官能团都作为Co@C800-1的活性位点高效活化过硫酸盐,能大大降低BX废水的毒性,并在实际废水中取得良好的效果。