纤维素纤维负载金属酞菁催化降解染料及机理研究

【摘要】水资源短缺是当今社会面临的一个重要问题，工业废水的处理一直是环境领域的重中之重。近年来，实际废水中一些低浓度有毒污染物如共轭染料、氯代芳香族化合物、多溴联苯醚、抗生素等处理已经成为国际研究的焦点。对传统的高级氧化技术，包括均相和非均相体系，在大量有机/无机化合物存在下对有毒目标污染物的优先去除相当困难。因此设计开发一种高效去除实际废水体系中有毒目标污染物的催化体系具有重要的意义。纤维素是一种由成百上千个β(1→4)葡萄糖单元组成的化合物，是地球上最丰富的有机聚合物之一。纤维素纤维作为一种广泛存在的纤维素衍生物，具有很多与生俱来的优良特性，如突出的亲水性，多羟基结构，可控的表面电位等，是一种极具潜力的催化剂载体。金属酞菁衍生物，具有18π电子大环共轭结构，化学性质稳定，易改性负载，在催化领域受到了普遍欢迎。利用不同中心金属元素的金属酞菁，可以制备得到不同驱动的催化体系，为金属酞菁催化剂的广泛应用奠定了基础。本文用共价接枝的方法制备合成两种纤维素纤维负载金属酞菁催化剂（Co-TDTAPc-F,Zn-TDTAPc-F），对其负载量和截面形貌进行表征，结果表明金属酞菁被成功接枝到纤维的表面和内部。选用常见的阴离子染料酸性红G（AR1）作为研究对象，引入清洁氧化剂H2O2,对Co-TDTAPc-F去除有机污染物的能力进行了考察，发现该体系在模拟实际染料废水的条件下对AR1有较高的催化氧化活性。论文还研究了不同pH、温度、氧化剂含量和染化助剂对该催化体系活性的影响。重复实验表明该体系具有较好的循环使用活性，EPR测试结果说明该反应是一个羟基自由基为主导的反应。选用常见的阳离子染料碱性绿（BG1）作为研究对象，氧气作为氧化剂，测试Zn-TDTAPc-F催化剂在可见光下去除有机污染物的性能。发现该体系可以有效去除染料有机物，并具有较好的重复使用活性。研究了不同反应pH、催化剂用量及染化助剂对体系活性的影响。EPR测试表明该反应过程是单线态氧（1O2）机理，产物分析测试(UPLC-MS/GC-MS)表明降解过程中有机物发生了深度氧化，生成饱和脂肪酸和脂肪醇类化合物，完成了绿色催化。两个酞菁催化体系在大量有机/无机助剂存在下均表现出较高活性，与传统的高级氧化法不同。纤维素纤维在其中发挥了重要作用，通过对底物的富集，纤维载体为催化反应提供一个微环境，使活性大幅提高；因为纤维在溶液中可控的表面电位和突出的溶胀性能，不仅使反应免受Cl-、醇类等自由基捕获剂的影响，还促进了催化体系对污染物的吸附与降解。本研究提供了一种从多组分废水中优先去除含量相对较少的有毒目标污染物的方法，通过对纤维素纤维载体与助剂、反应物之间相互作用的研究，揭示了纤维素载体在协同催化反应中发挥的重要作用，为催化剂载体的利用控制和催化体系的优化设计奠定了基础。
【作者】高美萍；
【导师】陈文兴；
【作者基本信息】浙江理工大学，材料学，2014，硕士
【关键词】纤维素纤维；金属酞菁；双氧水；可见光；机理；染色助剂；

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