CuO基催化剂制备及含酚废水的CWPO研究

【摘要】人类的工业化和城镇化进程，带来了一系列严峻的环境问题，这已经严重的影响了人类自身的安全和可持续性发展。酚类化合物作为环境中常见的有机污染物，对生物体毒性大、结构稳定、在环境中残留时间长，已被多国列入优先控制污染物名单。酚类物种结构稳定，化学需氧量大和对微生物的高毒性，使传统的处理工艺，如活性污泥法对其处理效果不佳。因此，如何处理高毒性酚类有机废水成为一个重要的课题。催化湿式过氧氧化(Catalyticwetperoxideoxidation,CWPO)作为一种先进氧化技术(Advancedoxidationprocesses,AOPs)，因其操作简单、使用清洁氧化剂、适用性强等优点受到广泛关注。本文通过络合法和浸渍法分别制得CuCe氧化物和CuO/SBA-15催化剂。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、氢气程序升温还原(H2-TPR)、N2吸附-脱附、透射电镜(TEM)和原子吸收分光光度计(AAS)等表征手段，研究了制备条件对CuCe氧化物和CuO/SBA-15催化剂的结构、形貌和可还原性能等的影响。借助离子色谱(IC)、紫外可见分光光度计和总有机碳测定仪(TOC)等测试技术，研究了苯酚(phenol)、对氯酚(4-chlorophenol,4-CP)和2,4-二氯酚(2,4-dichlorophenol,2,4-DCP)在制得的催化剂上的CWPO性能。研究了反应条件(催化剂浓度、H2O2剂量、温度、污染物浓度、初始pH和重复使用次数)与CWPO性能之间的关系，主要获得如下结论：1、在Ce:Cu=6，M(Cu+Ce):CA=1.8，焙烧温度为450°C，焙烧时间为3h时制得的CuCe氧化物催化剂具有最佳的CWPO性能和良好的pH适应性能，在pH值为6.2时4-CP和2,4-DCP溶液中TOC去除率达到87%和81%；CuCe氧化物催化剂良好的CWPO性能归因于CuCe氧化物催化剂中CuCe固溶体、高的比表面积和表面粗糙多孔的絮状结构的形成。2、在一定范围内增加H2O2和催化剂浓度有利于提高氯酚溶液中TOC去除率，过高H2O2和催化剂的用量会增加发生副反应的机率，不利于溶液中酚类有机物的CWPO降解。过高的目标污染物的浓度，使得催化剂表面活性位因吸附更多的目标污染物分子，阻碍了催化剂活性中心对H2O2吸附与活化，不利于强氧化性OH的生成，从而不利于提高氯酚溶液中TOC去除率。3、重复使用后，CuCe氧化物催化剂能较好地保持原有的晶相和表面形貌，但4-CP和2,4-DCP的TOC去除率和脱氯率随着CuCe氧化物催化剂重复使用次数的增加而降低，可归因于CuCe氧化物催化剂在CWPO过程中Cu物种的析出和表面活性氧物种的流失。4、4-CP和2,4-DCP在CuCe氧化物催化剂上的CWPO反应符合一级动力学方程，其CWPO反应动力学方程分别为：y=6959.3x－17.2和y=9725x－25.4；4-CP和2,4-DCP在CuCe氧化物催化剂上的CWPO反应活化能分别为Ea=57.8和80.8kJ/mol；在相同条件下，2,4-DCP分子比4-CP分子更难降解，归因于2,4-DCP分子极性和氯取代基位阻效应的影响。5、对CuO/SBA-15催化剂的研究表明，在450°C下焙烧3.0h制备的CuO负载量为20%的CuO/SBA-15催化剂拥有规整有序的介孔结构，孔径约为6nm且比表面积达到716m2/g，活性物种CuO在载体材料上拥有良好的分散度并保持较小的晶粒尺寸。所制得的CuO/SBA-15催化剂具有良好的pH适应性能，在pH为4.2~7.9时表现出良好苯酚的CWPO性能和可重复使用性能，TOC去除率高达90%，反应中CuO活性物种从催化剂表面的流失，可能是导致CuO/SBA-15催化剂活性降低的主要原因。
【作者】曾嘉；
【导师】周桂林；
【作者基本信息】重庆工商大学，环境工程，2014，硕士
【关键词】催化湿式过氧氧化；铜铈固溶体；CuO/SBA-15催化剂；酚类废水；动力学方程；

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