活性炭纤维催化过一硫酸氢盐降解水中的酸性橙7

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对于含偶氮染料废水等难生化有机废水的处理,高级氧化技术是一种有效的方法。近年来,基于过一硫酸氢盐(HSO5,PMS)的高级氧化技术(Advancedoxidation processes,AOPs),受到广大研究人员的关注,该技术通过一定的手段活化PMS产生强氧化性的硫酸根自由基(SO4)降解水中有机污染物。对于PMS的活化手段,目前主要还集中在紫外光活化和钴活化,二者具有明显的缺点。因此,寻找更多方式活化PMS,成为研究的热点。活性炭(AC)等炭材料不仅是良好的吸附材料,同时也是一种绿色的催化剂,可催化O3、H2O2、过二硫酸盐(PS)和PMS降解水中难生化有机物。本文以活性炭纤维(ACF)为催化剂,系统研究了其活化过一硫酸氢盐(PMS)去除水中偶氮染料酸性橙7(AO7)的可行性,探讨了“ACF/PMS体系中催化反应如何发生”、“吸附与催化如何相互影响”以及“AO7怎么被降解”等问题。具体研究内容如下:(1)在ACF/PMS体系中,ACF和PMS之间存在显著的协同效应。在ACF投加量为0.3g/L,PMS/AO7摩尔比为20/1时,100mg/L的AO7两小时内可被完全脱色。在一定程度上,AO7的脱色率随PMS投加量增加而增加,而当PMS投加量增加到一定值时,AO7脱色速率不再变化。另外,AO7的脱色率随着ACF增加而增加,而脱色速率与ACF的投加量呈现正线性相关。在ACF投加量为0.3g/L,PMS/AO7摩尔比为20/1时,AO7的初始浓度的改变对其在ACF/PMS体系中去除影响较小。随着ACF使用次数的增加,AO7的去除效果明显下降。抑制剂实验表明,ACF/PMS体系中,主要的氧化性的物种为HO和SO4。另外,对PMS氧化前后,ACF表面性质的变化分析发现,碱性位点是可能的催化PMS分解反应位点。(2)在ACF/PMS或者GAC/PMS体系中,吸附与催化是相互影响的。一方面,AO7或者其中间产物吸附在GAC或者ACF表面,会阻碍PMS与活性位点的接触,从而使产生的自由基减少,AO7的降解受到抑制。这解释了为什么ACF吸附速率比GAC快,但是其重复利用效果反而比GAC差。另一方面,ACF与PMS相互作用,也会导致ACF对AO7的吸附下降,进而使得没有足够的AO7吸附到AO7表面或表面附近,使得生成的自由基不能接触到AO7,影响其催化降解,从而影响到ACF/PMS体系对AO7的去除。(3)在ACF/PMS体系中,AO7降解中间产物主要为1,2-萘二酮、2氢-1-苯并吡喃-2-酮、茚三酮、1,4-苯醌、甲酸和乙酸。根据这些中间产物,推测AO7的降解过程为:偶氮键迅速断裂,导致脱色;然后,反应产物被氧化生成一些萘环类和苯环类化合物;之后经过一系列的氧化降解步骤导致芳香类化合物开环,生成甲酸和乙酸等小分子酸,并最终矿化。(4)ACF/PMS体系可不同程度地降解含偶氮染料酸性铬兰K(ACBK)、酸性红249(AR249)和活性黑5(RB5)。ACBK是PMS可以氧化降解的偶氮染料,ACF加入后可以显著加速偶氮染料的降解。对于AR249和RB5,不仅很难被ACF吸附,也很难被PMS直接降解,但在ACF/PMS体系作用下,二者的降解率都有了很大的提升。几种偶氮染料废水在ACF/PMS体系下的处理效果从高到低依次为AO7>ACBK>AR249>RB5,而这与ACF对它们的吸附能力顺序恰恰是一致的,这充分说明ACF对于染料的吸附过程对染料的降解有着重要的作用,在一定程度上吸附过程可以促进染料的催化氧化降解。
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