木基MOF类芬顿催化剂的设计及其催化降解性能研究

来源 :中南林业科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:renewmyself
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随着工业的急速扩张和人口的快速增长,环境及生态问题也接踵而来,特别是工业废水中的有机污染物是水处理中的难题之一。因此,寻求从废水中去除有机污染物的新型材料和有效技术已成为全球材料和环境科学领域的热门课题。金属有机框架(MOFs)材料因具有孔隙率高、结构多样性/可调性好、化学成分可控等优点,已广泛应用于环境领域。然而,金属有机框架应用于水处理最大的缺陷是不易回收进而导致二次污染,这给该催化剂在实际应用带来一定的挑战。因此一种合适的载体对于解决纳米粒子的聚集和回收问题以及构建一类高效的复合催化剂是非常必要。生物质材料因其种类多、低成本和固有的高孔隙率等特性,在水处理方面引起了极大的兴趣。而木材是最常见和最丰富的生物质材料之一,具有较高的比表面积、丰富的毛细孔结构以及官能团。进而选用木材作为载体并将其功能化,能很好的解决MOF材料的二次回收的问题。本论文旨在利用MOFs、生物质材料及其衍生复合物作为实验对象,并且以有机染料作为实验处理对象来探究其催化性能。论文主要研究内容如下:(1)沸石咪唑骨架-67(ZIF-67)的制备及性能研究利用钴盐中的钴离子与2-甲基咪唑通过配位作用自组装合成ZIF-67。通过比表面积测试分析发现ZIF-67存在介孔且比表面积高达1238 m2/g,有利于过硫酸氢钾(PMS)的富集以及电子的转移。ZIF-67表现出良好的催化性能。在60 min内对亚甲基蓝(MB)的催化效率达到100%。在四次循环循环试验后,ZIF-67依旧保持着良好的循环稳定性并且其催化效率能达到88%。研究表明,ZIF-67作为非均相催化剂活化PMS来降解亚甲基蓝具有很好的应用前景。(2)ZIF-67修饰杨木屑骨架衍生的Co基多孔磁性碳复合材料的制备及性能研究利用木材加工剩余物杨树废木屑为载体,采用原位合成以及热还原两步路线成功的合成了 Co基多孔磁性碳复合催化剂(Co@N-PC)并以此来构建活化PMS高效降解亚甲基蓝(MB)的类芬顿催化体系。通过对MB的催化降解反应对制备的催化剂(Co@N-PC)进行评价。研究发现,在30分钟内催化剂(Co@N-PC)对MB的降解效率达到100%。该材料优异的催化性能与其独特的多孔结构和在Co@N-PC表面暴露的大量钴纳米粒子有关。此外,磁性能分析显示Co@N-PC具有良好的磁性,有利于利用外磁场将该催化剂从处理好的水体中分离出来。Co@N-PC催化剂在四次循环试验后依旧能保持84.02%的催化性能。为此,该实验提出了利用废弃生物质资源制备低成本、可扩展的MOFs基材料以此来实现高效、大规模废水治理的可行性策略。(3)Cu掺杂的ZIF-67/木质气凝胶复合材料的制备及其性能研究利用具有各向异性的部分去除木质素和半纤维素的巴尔杉木(balsa wood)制备多孔低密度可压缩木质气凝胶,以此为载体并采用原位湿化学沉积来制备Cu掺杂的ZIF-67/木质气凝胶复合材料。以罗丹明B(RhB)作为模型染料,探究Cu掺杂的ZIF-67/木质气凝胶的催化效率。研究发现,不同掺杂比例的Cu掺杂ZIF-67/木质气凝胶复合催化剂均能在15分钟内将RhB降解完全。同时,当Co/Cu的摩尔质量比为3:2时,7分钟RhB去除率即可达到100%,反应速率达到0.467 min-1,远高于未掺杂的催化剂。另外,由于Cu的活性位点和Co-MOFs中钴活性位点之间的电子转移,导致Co2+和Co3+的有效氧化还原循环进而促进了其催化降解效率。
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