纳米Ag0/Fe3O4和Cu0/Fe3O4催化H2O2氧化降解2,4-二氯酚的研究

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氯酚类有机化合物(Chlorophenols,CPs)广泛用于医药、农药、防腐剂等工业中,其有较高毒性和“三致”效应,通过各种途径排入水体后,对水体、水生生物以及人类生命安全等都造成巨大威胁。为了保证水生生物和人类生命安全,使水体达到一个较为安全的状态,本文选取了多种氯酚类有机化合物为研究对象,用合成的纳米双金属粒子对其进行催化降解研究。具体研究内容如下:(1)溶剂热法制备了纳米Ag0/Fe3O4催化剂,并调整制备时的反应温度、反应时间和反应釜的填充度,制备出较好的催化剂。用透射电子显微镜(TEM)、EDS能谱、面扫描分析、X-射线衍射仪(XRD)、红外分析(FTIR)对纳米Ag0/Fe3O4催化剂进行表征分析,结果表明:纳米Ag0/Fe3O4是银呈球状分散在纳米Fe3O4上,分散性良好,在10-50 nm之间,且得出了最佳的制备条件是反应温度180℃、反应时间24 h、反应釜填充度70%。在此基础上成功制备了纳米Cu0/Fe3O4催化剂,TEM显示,Cu0/Fe3O4催化剂为直径约200 nm的棒状,催化剂总体分散性良好。(2)利用制备的纳米Ag0/Fe3O4和Cu0/Fe3O4催化剂来降解2,4-DCP,并通过单因素实验分析法考虑30%过氧化氢的加入量、纳米双金属催化剂的加入量、溶液初始pH值、反应温度、催化剂Fe/第二金属的摩尔比值这几个因素对降解2,4-DCP的影响,得出最佳降解条件,纳米Ag0/Fe3O4:30%过氧化氢的加入量20μL,纳米Ag0/Fe3O4催化剂加入量0.04 g,pH值为4,反应温度为20-40℃,Fe/Ag摩尔比值为3:1,纳米Cu0/Fe3O4:30%过氧化氢的加入量20μL,纳米Cu0/Fe3O4催化剂加入量0.04 g,pH值为酸性条件皆可,反应温度为20-40℃,Fe/Cu摩尔比值为3:1。对比两种催化剂的降解效果,纳米Cu0/Fe3O4粒子降解效率较高,但是纳米Ag0/Fe3O4降解产物更彻底。(3)对两种纳米双金属粒子的催化降解2,4-DCP的机理进行分析。其中2,4-DCP的挥发损失影响可以忽略不计,而两种催化剂对2,4-DCP的吸附作用影响也较小,主要是因为纳米粒子催化H2O2产生自由基对2,4-DCP的氧化降解作用,在降解过程中Ag、Cu作为第二金属起到了很大的协同作用。对两种催化剂的降解机理进行对比,纳米Ag0/Fe3O4协同催化作用使得2,4-DCP降解更为彻底,最终矿化率有78.71%,但反应速度稍慢。相比之下,Cu0/Fe3O4催化H2O2,降解速度非常快,在1-2 min内完成降解,但是矿化率较小为13.36%。对纳米Ag0/Fe3O4催化降解2,4-DCP的过程进行了降解动力学模型分析,拟合结果表明(?)与时间t呈线性关系,2,4-DCP的降解过程符合二级反应动力学模型。对两种催化剂的重复使用性能和储存性能进行探讨,发现两种催化剂都有较好的重复使用性能和储存性能。(4)用纳米Ag0/Fe3O4和Cu0/Fe3O4催化剂在最佳条件下催化过氧化氢降解其它氯酚类物质、对硝基苯酚、对硝基甲苯和邻氯硝基苯,结果表明:两种催化剂对其余氯酚类物质和对硝基苯酚催化降解效果都很好,而对对硝基甲苯、硝基苯和邻氯硝基苯的效果则较差,推测是因为苯环羟基给电子能力强,易氧化。最后,对两种催化剂催化H2O2降解氯酚类物质和对硝基苯酚的机理进行了分析。
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