二茂铁和铁铁类水滑石催化的非均相Fenton反应机理及其降解亚甲基蓝基础研究

【摘要】纺织印染废水是处理难度最大的工业废水之一。用于纺织工业的助剂超过2000种,其中超过20%的纺织废水被直接排放到水体中。水体中含有大量的无机盐(例如硫酸铜)和表面活性剂,这些印染助剂来源于印染过程中的晕染和固色阶段。纺织废水因其对人体和生物具有毒害作用被视为水污染的重要来源,其特点是透光度低、毒性大、COD含量高,严重阻碍了水生生物的光合作用。高级氧化技术(Advancedoxidationprocesses,AOPs)是一类可高效处理有机废水的绿色方法。Fenton技术是高级氧化技术的一种,传统的Fenton体系由Fe2+和过氧化氢组成。在酸性条件下,Fe2+可催化过氧化氢分解产生羟基自由基。羟基自由基有很高的氧化性,仅次于氟原子,可以无选择的氧化水体中的有机物。pH为0时,其氧化电位为2.78V,pH为14时,其氧化电位为1.9V。羟基自由基还可使键能低于H-O(109kCal/mol)的化学键断裂,夺取C原子或其他原子上连接的氢原子使有机物分解,是一种强氧化性的自由基。Fenton具有反应速度快,设备简单,所使用的过渡金属催化剂环境友好等特点,但其弊端是铁盐消耗量大,反应后产生大量的污泥,造成二次污染,反应过程中所使用的催化剂难于回收重复利用。为解决传统Fenton的上述弊端,非均相Fenton体系应运而生。非均相Fenton技术是水处理领域研究的热点问题之一。它为解决传统Fenton技术中存在的催化剂不易回收、反应后产生铁泥造成二次污染以及pH适用范围小等工程应用核心问题提供了有效的途径。已有广泛研究聚焦在使用负载型催化剂催化的非均相Fenton体系上,但通常反应速率较慢,需要引入超声、紫外光等外部能量的辅助。为解决负载型催化剂活性组分负载量低、及活性组分溶出的问题,本研究提出以二茂铁和铁铁水滑石为催化剂的非均相Fenton体系。二茂铁具有良好的氧化还原可逆特性、催化特性和稳定性,且具有电子给受体结构和刚性骨架;铁铁水滑石具有较大的比表面积、稳定的层状结构,且制造简单,成本低廉,其骨架结构中的二价铁和三价铁在Fenton体系中均有较好的催化能力,二者均可作为非均相Fenton体系的优良催化剂。研究取得的创新性成果和结论如下：(1)证明了二茂铁具有氧化还原可逆性,可高效催化过氧化氢分解产生羟基自由基,进而构建了新型Fc/Fenton反应体系。最佳工艺条件是pH=3,二茂铁浓度为0.372g/L,30。C,[H202]/[MB]=3.16.反应120min后,染料可完全脱色,此时,其矿化率为63.75%。(2)提出并证实了Fc/Fenton反应降解MB的机理及途径。Fc/Fenton反应降解MB的反应活化能为82.708kJ/mol。随着亚甲基蓝的降解,溶液的pH降低,并测得了苯并噻唑。亚甲基蓝在Fc/Fenton体系中沿三条途径同时降解：亚甲基蓝脱氯后,沿两条途径降解：一是剩余结构发生去甲基化反应,而后C-N和S-C键断裂,并脱氨基,经过草酸和苯并噻唑后彻底降解；二是剩余结构中C-N键断裂,S发生氧化,然后脱除甲基和氨基,生成苯磺酸和苯酚后彻底降解；三是部分羟基和磺酸基连接到亚甲基蓝上生成大分子化合物。最终,这些中间产物完全降解为CO2和H2O。(3)明确了常见无机盐类及表面活性剂类印染助剂对Fc/Fenton降解MB的影响规律。低浓度CuSO4和PVA的加入对亚甲基蓝的降解有促进作用,反之,NaCl、Na2S、Na2SO4、Na2CO3、SDBS和Tween-80的加入对亚甲基蓝的降解有抑制作用。(4)探索出了强化Fc/Fenton降解MB效率的两条途径：加入低浓度草酸和分批投加H2O2对亚甲基蓝的降解均有促进作用。(5)载二茂铁树脂对水中亚甲基蓝及共存亚甲基蓝和铜离子的吸附作用机理及规律。二茂铁的负载极大的提高了亚甲基蓝在树脂上的饱和吸附量,将应用的pH范围拓宽到了2-12。二茂铁改性树脂能有效地同时吸附去除水体中的亚甲基蓝和铜离子,且该吸附过程为物理吸附。反应的最佳条件时pH=4-5。(6)研制出了可高效催化分解过氧化氢产生羟基自由基的铁铁类水滑石型非均相催化剂,构建了新型非均相FeFe-LDH/Fenton体系。亚甲基蓝在该体系中的降解效果表明：铁铁水滑石具有高效性和稳定性,其催化活性随制备过程中的[Fg2+]/[Fe3+]增加而增强。反应的最佳pH为3,且增加铁铁水滑石的用量对体系中亚甲基蓝的降解有促进作用。(7)推导出了FeFe-LDH/Fenton降解机理。随着亚甲基蓝的降解,溶液的pH呈下降趋势,并发现了亚甲基蓝降解的新产物—苯并噻唑,DL-正亮氨酸和Pleiocarpamine。推导出了亚甲基蓝沿着三条途径同时降解：亚甲基蓝首先脱去氯原子和甲基,然后剩余结构中的不同位置的C-N和S-C发生断裂,一是产生苯酚和DL-正亮氨酸；二是生成草酸和苯并噻唑；三是DL-正亮氨酸脱氨基后的产物与苯并噻唑在甲醛的作用下生成Pleiocarpamine。
【作者】王倩；
【导师】田森林；
【作者基本信息】昆明理工大学，环境科学，2014，博士
【关键词】Fenton反应；非均相催化；二茂铁；类水滑石亚甲基蓝；印染废水；高级氧化技术；

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