Cu-Fe金属氧化物催化微纳米气泡降解苯酚的研究

作     者：赵迪 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余江;汪杰

授予年度：2024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：含酚废水 微纳米气泡 活性炭改性载体 氧化铝改性载体 催化降解 

摘      要：近年来,水污染问题受到广泛关注。苯酚作为代表性的有机化学物质,其衍生物在化工、炼油、造纸等工业生产过程中经常出现,而且在水中也广泛存在,对人体和环境造成严重危害。因此,将水中存在的酚类有机污染物有效去除,已成为水净化和废水处理的主要研究目标之一。微纳米气泡（MNBs）作为一种新兴的无二次污染的绿色技术,因其较高的传质效率和氧化特性而受到广泛关注。特别是MNBs的长滞留时间具有比传统曝气方法更高的氧气滞留能力,所以,MNBs在污水处理方面具有广阔的前景。然而,由于MNBs的超稳定性,其在水溶液中产生的强氧化性物种数量有限,导致对水中污染物的去除效率较低。所以需要采用适当的技术来激活MNBs,使其在水中产生更多的具有强氧化性的活性氧物种（ROS）。研究表明,较高的水溶液酸度和MNBs界面的疏水性可增强MNBs气泡的溃散,同时产生更多的ROS,如·OH和1O2。 本研究采用浸渍煅烧法制备了不同的疏水性载体支撑氧化铜铁催化剂(Cu-Fe@AC（AC:活性炭）和Cu-Fe@Al2O3-SA（SA:硬脂酸）)。以苯酚为探针,评估了水溶液中p H值、盐度和载体疏水性对活化MNBs的影响,分析了吸附降解反应动力学。主要得出以下结论: （1）本实验主要使用不同亲疏水特性的AC和Al2O3作为载体制备Cu-Fe负载的催化剂。在吸附苯酚的实验中,疏水性的AC材料表现出较好的吸附性。使用化学接枝法将SA和Al2O3发生酯化反应,从而达到疏水特性。疏水改性后的Al2O3材料对于苯酚的吸附性,比未疏水改性的催化剂的吸附性提升了20%左右,再次验证了具有疏水性界面的催化剂对苯酚具有更好的吸附性能。通过改变实验参数,对疏水催化剂进行吸附苯酚的实验,结果表明催化剂在酸性条件下具有较好的吸附性,这是由于苯酚在酸性至中性水溶液中主要以分子态存在,催化剂与苯酚分子之间能够产生较大的亲和力,从而有利于催化剂的吸附作用。在高浓度盐溶液中也具有较好的吸附特性。催化剂对苯酚的吸附性也随着温度的升高先降低再升高,这表明在高温的环境下能够促进吸附效果。 （2）为了研究MNB+催化剂体系对降解苯酚的影响,在气体流量为40 L/min的MNB条件下调节了p H、盐度和溶液浓度。 MNB+Cu-Fe@AC体系在p H=4,溶液盐度为20 g/L。在90 min内对100 mg/L苯酚进行处理,其降解率可达到90.00%。在p H=4,Na Cl=15 g/L的情况下,在MNB+Cu-Fe@Al2O3-SA体系下对100 mg/L的苯酚溶液连续处理90 min,其降解率可达到29.21%。这表明疏水性催化剂不仅对苯酚具有更好的吸附能力,而且也有助于活化疏水界面的MNBs。此外,对于不同浓度的苯酚溶液,MNB+催化剂体系的降解效率随着苯酚浓度的增加而下降。 在AC材料上负载的Cu-Fe催化剂的降解效率比未负载的提高了约5%,在Al2O3材料上负载的Cu-Fe催化剂的降解效率比未负载的提高了约17%。这表明负载的Cu-Fe氧化物催化剂可以提高对苯酚的降解能力。这是因为多金属催化剂中金属元素之间的协同作用有助于低价金属的再生。因此,Cu和Fe之间的协同作用有助于MNB的催化活化和苯酚的分解。 （3）分别对MNB、MNB+Cu-Fe@AC和MNB+Cu-Fe@Al2O3-SA体系进行了活性氧检测实验。与单独使用MNB相比,使用MNB结合疏水催化剂产生了更多的·OH,并且可以明显提高降解苯酚的效率。此外,疏水性强的Cu-Fe@AC材料在活化MNB时能够产生1O2,这对降解苯酚具有很大的促进作用。