仿酶型纳米磁性水处理剂的制备及催化机理的研究

来源 :武汉科技大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:hzfjl
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本论文成功制备出纳米磁性Fe3O4并将其负载于有机改性膨润土上,形成一种新型结构的仿酶型纳米磁性水处理剂,用于难降解有机废水的深度处理,重点考察了仿酶催化剂的制备,以及对有机污染物的催化降解机理,主要研究结论如下:(1)分别采用共沉淀法和氧化沉淀法制备出不同形貌的纳米磁性Fe3O4,通过正交实验极差分析及单因素实验分别确定共沉淀法的最佳制备条件:Fe2+/Fe3+的摩尔比为3:4、反应温度80℃、pH=10、Fe离子浓度0.10mol·L-1。氧化沉淀法的最佳制备条件:反应温度90℃、OH-浓度0.2mol·L-1、NO3-浓度0.15mol·L-1、Fe2+浓度0.5mol·L-1。以橙黄Ⅱ模拟废水为目标污染物,综合比较两种方法制备的纳米Fe3O4的催化性能及制备工艺的复杂程度,优选氧化沉淀法作为仿酶型纳米磁性水处理剂的制备方法。(2)使用季铵盐类阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对天然膨润土有机改性,通过正交实验得到最佳的改性条件:表面活性剂与膨润土的质量比为0.3,反应温度40℃,反应时间60min,pH=9。X射线衍射(XRD)等表征结果显示改性后层间距d(001)从1.5134nm增加到1.9555nm,说明表面活性剂进入膨润土层间撑大了膨润土的层间距。改性后膨润土的阳离子交换容量、比表面积以及对橙黄II模拟废水的脱色率都得到提高,说明表面活性剂对膨润土的有机改性是成功的,有机改性膨润土对有机物的吸附符合Langmuir等温吸附模型,将最佳改性条件制备的有机改性膨润土作为制备仿酶型纳米磁性水处理剂的载体。(3)采用原位氧化沉淀法,将纳米Fe3O4负载在有机改性膨润土上制备出仿酶型纳米磁性膨润土复合材料,表征结果显示纳米Fe3O4大致呈球状,较为均匀的负载在膨润土表面,并且负载牢固,膨润土仍然保持其片层结构,Fe3O4颗粒平均粒径在100nm左右,最佳负载量为50%。采用响应面分析法(RSM)通过建立橙黄II模拟废水脱色率与各影响因素之间的Box-Behnken数学模型,对磁性膨润土催化降解橙黄II的工艺进行了优化,在催化剂的投加量为1.5g L-1,pH=2.7,反应温度42℃,H2O2浓度22mmol L-1条件下,对橙色II的降解率达到99.49%,与预测值99.55%基本一致,这表明本论文通过响应面分析法(RSM)优化仿酶型纳米磁性膨润土催化降解橙色II的工艺条件是可行的。仿酶型纳米磁性膨润土/H2O2体系对橙黄II模拟废水的降解实验中,仿酶型纳米磁性膨润土展现出了良好的稳定性,仿酶磁性膨润土表面的非均相仿酶催化反应是橙黄II降解的主要原因。(4)为验证仿酶型纳米磁性膨润土对实际工业有机废水的降解效果,选取二级处理后的焦化废水这一典型的有机废水作为处理对象,结果表明:在H2O2浓度70mmol L-1,催化剂投加量0.8g L-1,反应温度30°C,pH=5.0的操作条件下,焦化废水的CODCr和色度去除率分别能达到79.3%和93.4%,最终CODCr在57.5~66.1mg·L-1之间,色度在28~34度之间,可以达到再生水水质标准,循环回用实现零排放。仿酶型纳米磁性膨润土催化降解有机废水,是由制备仿酶复合材料的纳米Fe3O4和有机改性膨润土两组分协同增效作用的结果。
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