铋酸钠可见光光催化氧化苯胺影响因素和反应机理的研究

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以苯胺为目标物,采用铋酸钠作为催化剂,在可见光条件下对苯胺进行光催化氧化。在单因素试验中,探索了曝气条件、苯胺初始浓度、反应溶液初始pH值和催化剂投加量等因素对铋酸钠光催化氧化苯胺效果的影响,在此基础上通过正交因素试验,探索了铋酸钠光催化氧化苯胺的最佳运行条件。并通过动力学试验研究、苯胺降解过程中生成的含氮产物的检测和气质联用仪分析中间产物及终产物,初步探索了铋酸钠光催化氧化苯胺的反应机理。主要结论如下:1)曝气对于铋酸钠光催化氧化苯胺的效果有较大影响,曝气后对苯胺的降解效果明显大于没有曝气时;反应初期,苯胺的含量随时间的延长有较大降低;反应120min后,延长反应时间,苯胺的含量不再出现明显的下降。苯胺的光催化氧化效果随着初始浓度的增加而降低;中性偏酸环境下,铋酸钠光催化氧化苯胺的降解速率最快,降解速率却有很大差别。本研究中,pH=4时,5分钟后苯胺的去除率即可达40%左右;而其他初始pH条件下,5分钟时的去除率都只有20%左右。在极酸性条件下,铋酸钠不再通过光催化氧化降解苯胺,而是通过铋酸根直接氧化苯胺。适当的催化剂投加量能够促进铋酸钠光催化氧化苯胺。本研究中,铋酸钠投加量为0.1g时,去除率最高,可达87%左右。2)正交试验结果表明,铋酸钠光催化氧化苯胺的最佳条件是:初始浓度为20mg/L,初始pH值为5,催化剂投加量为0.2g/L。3)不同初始浓度下,铋酸钠光催化氧化降解苯胺的过程都符合一级动力学模型,且初始浓度为30mg/L时,反应速率常数最高,达0.0402min-1。不同pH条件下,除pH=2时,其它试验组中,铋酸钠光催化氧化降解苯胺的过程都符合一级动力学模型,且pH=4时,反应速率常数最高,达0.0376min-1。不同投加量下,铋酸钠对苯胺的光催化氧化都符合一级动力学模型,且投加量越大,反应速率常数越高,投加量过大时,拟合方程的相关系数出现下降。4)铋酸钠光催化氧化苯胺的过程中有氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的生成,其中氨氮浓度随着反应进行呈增长趋势,而硝酸盐氮和亚硝酸盐氮则由于相互之间容易转化,因此反应过程中浓度有所波动,但总体趋势仍然是增加。反应生成的亚硝酸盐氮浓度较低,说明该方法能有效处理苯胺中的N元素,未造成二次污染。5)铋酸钠光催化氧化苯胺的过程中,苯胺先反应生成偶氮苯,偶氮苯进一步反应,生成3-羟基-N-苯基丁醇胺,之后一部分3-羟基-N-苯基丁醇胺开环后生成2-硝基乙醇,之后继续反应被矿化,另一部分3-羟基-N-苯基于醇胺直接被矿化,生成CO2,同时含氮基团转变为无机氮。本研究结果表明,铋酸钠可见光光催化氧化苯胺进行技术,具有反应快速、降解彻底、无二次污染等特点;并且与传统光催化氧化技术相比,本方法成本更低、操作更简便,具有较大的应用空间。
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