铁基杨树生物炭复合材料催化降解新兴有机污染物的研究

来源 :济南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shaonvshashou
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随着环境检测技术更新迭代,水中“新兴有机污染物”因其种类多、存在广等特点,成为水环境监测、研究及治理热点。其中,药品及个人护理用品(Pharmaceutical and Personal Care Products,PPCPs)与内分泌干扰物(Endocrine Disrupting Chemicals,EDCs)等新兴有机污染物对水资源的循环利用以及人类健康造成严重威胁。改性生物炭材料在吸附和活化过硫酸盐去除水中有机污染物方面具有良好效果。针对纳米零价铁(Nanoscale Zero-Valent Iron,n ZVI)易团聚、失活问题,本研究利用液相还原法制备了杨树锯末生物炭负载纳米零价铁复合材料(BC-n ZVI),研究复合材料的均匀分散性及对典型抗生素四环素(Tetracycline,TC)的吸附性能与影响因素、探讨了BC-nZVI对TC的吸附机理。为实现快速彻底矿化TC,本研究在吸附去除污染物基础上引入过二硫酸盐(Persulfate,PS)氧化剂,探讨了BC-n ZVI活化PS降解TC的效果及影响因素,分析了BC-n ZVI对PS的活化机理。为进一步提升对过硫酸盐的活化效率,选用Co Fe2O4作为生物炭改性材料,探讨了Co Fe2O4@BC活化过一硫酸盐(Peroxymonosulfate,PMS)降解诺氟沙星(Norfloxacin,NOR)的效能和机理。主要内容及结果如下:(1)以农业废弃物杨树锯末为生物质原料,采用液相还原法制备了低成本、高性能的BC-nZVI复合材料。相较原始生物炭,BC-n ZVI材料具有片层和介孔结构,n ZVI分散附着在生物炭表面,极大的增加了材料的吸附活性和吸附位点,对TC的吸附去除率提升了69.2%。实验结果表明,BC-n ZVI拥有较宽的p H适应范围,常温条件下最大吸附容量为401.61 mg/g(TC),吸附过程复合准二级吸附动力学且均符合Langmuir、Freundlich吸附等温线模型,为自发吸热反应过程。单层物理π-π电子吸附的同时伴随表面络合等化学吸附共同作用吸附水体中的TC。(2)BC-nZVI对TC的吸附去除达到吸附-解析平衡条件下,加入PS进一步活化降解TC。nZVI的加入改变了BC的化学结构,BC表面的含氧功能团增强了Fe~0、Fe2+和Fe3+之间的氧化还原循环作用,促进了SO4·-、HO·的持续释放。BC-n ZVI/PS降解体系拥有较宽的p H适应范围,在酸性及中性条件下对TC的去除效果优异,此时溶液中SO4·-起主导作用。在碱性条件下,n ZVI会形成Fe(OH)3沉淀附着在材料表面,阻碍PS与BC-n ZVI反应,此时溶液中SO4·-被转化为大量羟基自由基。n ZVI和生物炭络合形成的C-O-Fe和C=C结构可以通过增加系统的电子传导能力以促进TC的降解效率。BC-n ZVI具有良好的催化稳定性。(3)采用两步浸渍后热解制备CoFe2O4@BC复合材料,双金属间电子转移进一步提升了材料对PMS的活化效率。实验表明复合材料中Co Fe2O4:BC质量比为16%时,对PMS的活化效率最高。在p H=7.0和298 K条件下,0.2g/L的Co Fe2O4@BC与5m M PMS反应1h后对NOR去除率可达96.8%。适当增加PMS和活化剂用量可提高NOR降解率,无机阴离子会不同程度的促进或抑制NOR降解效果,其中HCO3-离子抑制效果最强,H2PO4-能够激活PMS生成有机物降解活性物质促进NOR去除。Co Fe2O4@BC/PMS体系在较宽的p H范围内具有高效的NOR降解能力,活化剂具有优异的可回收利用性和稳定性。在SO4·-、HO·以及~1O2等活性氧物种共同作用下,NOR逐步裂解并最终矿化从水环境中去除。
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