包覆/负载型高铁酸盐复合材料制备及其卡马西平去除效能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nx002
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近年来,药物及个人护理品(PPCPs)这类痕量、顽固的新型有机物开始被广泛使用并且直接从城市居民用水系统经过城市污水处理厂不加处理地进入地表水环境甚至地下水环境,因此,PPCPs成为自来水、再生水及地表水中的高被检出物质,对水生生态系统安全构成了极大威胁。这类物质经过污水处理厂传统的生物处理技术难以被有效去除,需进行工艺优化或深度处理才可有效降低其在出水中的浓度。高铁酸钾(K2FeO4)是具有强氧化性的绿色多功能水处理剂,可用作氧化剂、消毒剂、絮凝剂,但由于自身在水溶液中有强烈的不稳定性,在储存过程中也容易发生自分解而变质,导致其活性成分含量低,在水处理过程中不能充分发挥作用而在应用上受到限制。本文提出在高铁酸盐强氧化性的基础上对吸附作用进行集成,制备吸附-氧化一体化复合材料,以包覆及负载作为基础方法合成包覆型高铁酸钾及负载型高铁酸钾,考察其对再生水中卡马西平(CBZ)的去除效能,并研究其降解机理及途径。通过对复合材料的合成进行初步探索,确定了以高铁酸钾和β-环糊精(β-CD)为制备包覆型高铁酸钾的原材料,以高铁酸钾和生物质半焦为制备负载型高铁酸钾的原材料,分别通过融化悬浮冷凝法、高能球磨法制备,并对制备产物进行了缓释性能、稳定性、吸水性测试及一系列物理表征。通过缓释性能测试可知:两种复合材料在碱性溶液中的120min最大释放率分别为53.62%和62.13%;40d后在空气中的最小剩余百分比分别为73.44%和63.8%;10d后最大吸水率分别为9.86%和6.79%。综合来看,两种复合材料的性能相比高铁酸钾均有了较大提升,说明两种工艺均对高铁酸钾起到了保护、缓释的作用。对已制备的两种复合材料进行了污染物质CBZ去除效能实验,并与高铁酸钾氧化效果、生物质半焦及β-CD吸附效果进行对比。在相同实验条件下,两种复合材料相比高铁酸钾对CBZ的降解率最高可提高49.1%和44.5%,且复合材料吸附-氧化一体化降解体系中吸附作用占比约为15%-20%,氧化降解作用占比约为80%-85%,说明该体系中氧化作用对降解率起主要贡献。经过条件优化得出利用复合高铁酸钾进行CBZ去除的最佳条件:反应时间30min,高铁酸钾浓度为5mg/L,包覆型高铁酸钾反应温度设置为40℃,负载型高铁酸钾反应温度设置为50℃,溶液初始p H=8.0-9.0。探索了降解效能及最佳反应条件之后,进一步对复合材料降解CBZ的机理及途径进行了探索,借助液质联用技术对不同反应时刻的样品进行测定,根据总离子图、质谱图及谱库数据推测出CBZ的四种中间产物,并根据质荷比对分子结构进行了推测,从而推测出了降解途径。根据降解途径可知吸附-氧化一体化复合材料降解CBZ主要是高铁酸钾破坏CBZ烯烃双键、通过氧化作用不断加氧使其开环重组的过程,降解过程与假一级动力学所反应的规律一致。综上所述,本文通过高铁酸钾复合材料实现了对再生水中CBZ的有效去除,为高铁酸盐复合材料去除PPCPs提供了新的思路,为再生水的水质安全提供了保障。
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