磁性纳米复合材料制备及其活化过一硫酸盐降解PPCPs的性能研究

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随着社会经济的快速发展,中国已成为世界上最大的药物活性成分生产国,同时也是个人护理品消费的主要国家之一,导致大量的药物和个人护理品(PPCPs)进入环境,严重威胁着生态环境和人类健康。环境中的PPCPs浓度很低,传统污水处理方法难以将其有效去除,而利用活化过硫酸盐产生硫酸根自由基的高级氧化法可有效地去除环境中PPCPs。纳米过渡金属氧化物常用做活化过硫酸盐的催化剂,催化性能与其结构、形貌、组成等密切相关。目前,基于过渡金属氧化物构建多功能的复合催化材料,实现纳米材料催化性能提高和简单再生已成为当前领域关注的热点。  本文以磁性纳米Fe、 Co氧化物为基础,通过调控反应条件,制备形貌、结构和组成不同的新型过硫酸盐催化剂,实现催化剂简单磁性回收,探讨其催化过一硫酸盐(PMS)降解水中污染物尼泊金丁酯(BPB)的性能、影响因素及降解机理。取得的主要研究成果如下:  (1)制备了yolk-shell结构CoFe2O4磁性微球,直径在400-600 nm之间,其中内部核球直径约为200 nm左右,外部壳层厚度约在80 nm左右。BET比表面积为107 m2/g。在CoFe2O4投加量为0.1 g/L,PMS投加量为0.5 mmol/L的条件下,该材料90 min内可以将10 mg/L的BPB完全降解,降解速率随着CoFe2O4和PMS投加量的增加而提高。相比于实心结构的CoFe2O4微球,yolk-shell结构明显提高了材料催化降解BPB的性能。反应后材料可通过磁性分离简单回收,经三次循环使用后催化性能降低了约30%。催化反应过程中氧化BPB的自由基以SO4·-为主。  (2)制备了氮掺杂Fe3O4@C多孔纳米棒。多孔纳米棒由20 nm左右氮掺杂碳包覆Fe3O4纳米颗粒堆积而成,材料中碳含量为16%。不同煅烧条件对材料的形貌影响不大,升温速率越慢,煅烧时间越长,则材料的结晶性越好,其中以5℃/min升温,600℃下煅烧2h得到样品活化PMS降解BPB的性能最优。在氮掺杂Fe3O4@C投加量为0.1 g/L,PMS投加量为1 mmol/L条件下,90 min内可将10 mg/L的BPB降解完全。磁性分离回收后,分别通过直接利用、0.24mol/L硝酸洗涤和0.24 mol/L盐酸洗涤三种方式考察氮掺杂Fe3O4@C的循环稳定性和再生性能,发现经0.24 mol/L盐酸洗涤再生效果最好,循环三次降解率分别为100%、100%和60%,溶液TOC去除率分别为64.7%、35.9%和37.5%。催化降解过程中氮掺杂Fe3O4@C纳米多孔纳米棒活化PMS体系主要产生的自由基为O2·-。  (3)合成了碳包覆Fe3O4-FeS磁性纳米颗粒,颗粒尺寸在100 nm左右。碳包覆Fe3O4-FeS对BPB几乎没有吸附,但在材料投加量为0.1g/L,PMS投加量为1 mmol/L的条件下,在3h内可完全降解10 mg/L的BPB。磁性分离反应后样品具有良好的循环稳定性能,循环三次均能够完全降解溶液中BPB。溶液TOC去除率分别为78.8%、56.6%和74.7%。催化降解过程中碳包覆Fe3O4-FeS活化PMS体系主要产生的自由基为SO4·-。
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