發布時間：2021-09-30所屬分類：免費文獻瀏覽：1次
摘 要： 環境科學與管理
《磁性活性炭的制備及其催化臭氧性能的研究》論文發表期刊：《環境科學與管理》；發表周期：2021年06期
《磁性活性炭的制備及其催化臭氧性能的研究》論文作者信息：曹一豐( 1995 － ) ，男，碩士研究生，主要研究方向: 污水
摘 要: 中國每年都有大量的含吡啶廢水排放，吡啶有毒難降解，一般工藝較難去除，而催化臭氧氧化技術對其具有較好的處理效果。粉末活性炭是一種常用的臭氧催化劑，其催化效果好，但在水中不易分離，通過堿性共沉淀法在其上負載磁性物質，制備磁性活性炭，可以解決這一問題。通過一系列實驗發現，粉末活性炭上成功負載上了 Fe3O4，制備的磁性活性炭具有較好的催化臭氧的效果和磁分離性能，反應過程中，產生了羥基自由基并且提高了吡啶的礦化度。
關鍵詞: 磁性活性炭; 催化臭氧化; 吡啶
Abstract: A large number of pyridine containing wastewater is discharged in China every year. Pyridine is toxic and difficult to be degraded，and it is difficult to be removed by general process. However，catalytic ozonation technology has a better treat- ment effect on it. Powdered activated carbon( PAC) is a common ozone catalyst，which has good catalytic effect but is not easy to be separated in water. This problem can be solved by preparing magnetic activated carbon with magnetic material loaded on it by alkaline co - precipitation method. Through a series of experiments，it was found that the powdered activated carbon was success- fully loaded with Fe3O4，and the prepared magnetic activated carbon had a better catalytic effect of ozone and magnetic separation performance. In the process of reaction，hydroxyl radical was generated，and the mineralization of pyridine was improved.
Key words: magnetic activated carbon; catalytic ozonation; pyridine
前言
2010 年，中國已經成為世界上最大的制造國[1]。工業的快速發展引發了嚴重的環境問題，2018 年，中國地表水中仍有 29. 0%的水體在 IV 類以下[2]。
吡啶廣泛應用于工業生產的各個行業是一類具處理。有較大危害性的物質[3 - 4]。臭氧作為一種強氧化劑，常用于污水處理當中[5]。然而，吡啶吸電子特性較強，具有抗臭氧化作用[6]。另外，臭氧分子的水溶性較差，利用率低，運行成本高[7]。通過向臭氧體系中投加催化劑，催化臭氧產生·OH 可以解決這些問題。粉末活性炭的催化效果好，但在水中不易分離，通過在其上負載磁性物質，可以很好的實現催化劑的分離回收。文章采用堿性共沉淀法制備了磁性活性炭作為臭氧催化劑，對于含吡啶廢水的處理以及實現催化劑的回收具有重要的意義。
材料與方法
1.1 儀器與試劑
臭氧發生器(HY-003-20A，廣州佳環，中國);分光光度計(16，北京普析，中國);離心機(TGL-20B，上海安亭，中國);恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101s，鞏義予華，中國)：數顯鼓風干燥箱(GZX-9070MBE，上海博訊，中國)：超高效液相色譜(1290，安捷倫，美國)：掃描電鏡(SU8000，日立，日本);TOC測定儀(Muli N/C 2100s，耶拿，德國)：X射線粉末衍射儀(RigakuD/max-2000，理學，日本)，Feso，-7H20FeCl，-6H，0.NaOH、吡啶、濃鹽酸、濃硝酸、叔丁醇、無水亞硫酸鈉均購自天津市科密歐化學試劑有限公司，以上試劑均為分析純試劑。實驗用水為超純水，粉末活性炭為商售煤質基活性炭。
1.2 實驗方案及反應裝置
1.2.1 磁性活性炭的制備
本實驗采用堿性共沉淀法在粉末活性炭上負載四氧化三鐵，制備磁性活性炭，具體方法如下：首先，篩分出180-300目的粉末活性炭，然后用超純水洗去活性炭表面的粉塵，之后放入稀釋20倍的鹽酸：硝酸=3：1(體積比)溶液中，并對溶液施加超聲1小時。之后用超純水沖洗粉末活性炭，洗至上清液呈中性，置活性炭于104℃烘干，備用。
稱取1.39 g Fes0，.7H20與2.70 g FeCl，.
6H20置于250 mL.的燒杯中，倒入150 ml.超純水配置Fe"：Fe"=2：1的混合溶液，加入1.46g預處理后的粉末活性炭，快速攪拌30 min，使溶液混合均勻。然后，使用恒溫水浴鍋控制混合溶液溫度為70℃并攪拌，同時逐滴將50 ml的2M氫氧化鈉溶液快速滴入混合液中，反應時間為1 h。反應完成后，用超純水清洗復合材料，洗至上清液呈中性，將得到的沉淀在烘箱中于60℃烘干，作為磁性活性炭催化劑備用。
1.2.2 臭氧水的制備
在密封的容器中倒入超純水，通過鈦合金曝氣頭不斷曝入臭氧。將容器放入水浴磁力攪拌器中，控制水浴溫度至6℃以下，以提高臭氧的溶解度，不斷攪拌水溶液，提高臭氧溶解效率。在曝氣過程中，通過分光光度法不斷測定臭氧水的濃度，當測定的臭氧水濃度達到實驗進行所需要的濃度時停止曝氣，立即進行催化臭氧氧化實驗。
1.2.3 催化與氧氧化降解吡啶實驗
將制備的臭氧水取500 ml.置于燒杯中，加入所需質量的吡啶與磁性活性炭，通過攪拌槳不斷攪拌。
按照要求在0 min.1 min.2 min.3 min.4 min、5 min.10
min時取樣，把取得的樣品通過0.45微米的聚醚砜濾膜過濾去除催化劑，為了終止臭氧反應，再滴入一定量的亞硫酸鈉溶液，得到的溶液作為待測樣品保存。
1.3催化劑的表征方法
通過XRD分析，判斷活性炭負載的磁性物質的晶體結構：通過掃描電鏡分析，判斷活性炭負載前后表面結構的變化：通過FTIR分析，得到活性炭表面官能團的變化。
1.4 吡啶濃度測定方法
本實驗采用高效液相色譜法來檢測吡啶的濃度，本實驗中應用的是安捷倫液相色譜，色譜柱為C18色譜柱，色譜儀的流動相采用的是乙臘和水，比例為40：60，流動相的流量設定為0.2 ml/min，檢測器波長為254 nm
1.5臭氧水濃度測定
臭氧水濃度測定：通過紫外分光光度法檢測臭氧水的濃度，取一定體積的臭氧水注入 1 cm 的比色皿中，分光光度計的波長設定為 260 nm，測定臭氧水的吸光度，根據郎伯 - 比爾定律計算臭氧濃度，計算公式如( 1) :
2 結果與討論
2. 1 材料的表征
2. 1. 1 XRD 分析
對材料進行了 XRD 分析，從而判斷出在粉末活性炭上是否成功地負載了磁性物質。圖1為磁性活性炭的XRD譜圖。如圖1所示，磁性活性炭在20值為30.0870，35.4380、43.0680、56.9560和62.5440處均有明顯的衍射峰，圖譜與四氧化三鐵標準圖譜的衍射峰基本一致，可以認為在粉末活性炭上成功負載上了Fe，0，
2.1.2 SEM分析
如圖2所示材料的掃描電鏡圖，放大倍數為3 500倍，圖(a)和圖(b)分別代表C和C-Fe，0，從圖中可以看出，未負載的粉末活性炭表面比較光滑，而負載了磁性物質的活性炭表面能明顯看到許多小球狀的顆粒物，這可以直觀地說明負載成功。
2. 2 磁性活性炭催化臭氧降解吡啶
研究了不同磁性活性炭投加量對吡啶降解的影響，如圖 3 所示。吡啶初始濃度為 8 mg /L，臭氧水濃度為 16 mg /L，催化劑投加量分別為 0 g /L、0. 05 g /L、0. 1 g /L、0. 15 g /L、0. 2 g /L 和 0. 3 g /L。如圖 3所示，催化劑投加量越多，吡啶降解速度越快。在不投加催化劑的情況下，吡啶的降解速度很慢，5 min僅降解到7.13 mg/L，說明吡啶抗氧化能力強，單獨臭氧體系較難有效地降解吡啶。當投加磁性活性炭作為催化劑后，吡啶在5 min可以降解到5mg/L左右，說明催化體系提高了吡啶的去除效果。
2.3 叔丁醇的影響
叔丁醇是一種羥基自由基的猝滅劑，可以捕獲羥基自由基，使其不能氧化其他物質。如圖4所示叔丁醇對催化臭氧化反應的影響，毗啶初始濃度為8mg/
L，臭氧水濃度為16 mg/L，催化劑投加量為0.05 g/L.
叔丁醇投加量為200 mg/L，進行了4組實驗，分別為單獨臭氧化反應、單獨臭氧化反應投加叔丁醇、催化臭氧化反應與催化臭氧化反應投加叔丁醇。從圖中可知，催化臭氧化反應最終吡啶濃度為4.46 mg/L，而投加叔丁醇后，吡啶濃度為6.22 mg/L，說明叔丁醇抑制了催化臭氧化反應，證明在毗啶降解反應中，磁性活性炭催化臭氧產生了羥基自由基。而單獨臭氧化反應與反應中投加叔丁醇后，二者吡啶降解曲線相差不多，說明臭氧化反應中，沒有產生羥基自由基，吡啶的降解主要是與臭氧分子直接反應造成的。
2. 4 催化臭氧化反應的礦化度
如圖 5 所示臭氧化與催化臭氧化降解吡啶的TOC 去除率曲線，吡啶初始濃度為 8 mg /L，臭氧水濃度為 16 mg /L，催化劑投加量為 0. 05 g /L。從圖中可以看出單獨臭氧體系對 TOC 幾乎沒有去除作用，而吡啶卻有一定程度的降解，這說明臭氧只是把吡啶降解為中間產物，并沒有生成二氧化碳，礦化度很低。而催化臭氧化反應的 TOC 去除率可以達到17. 45% ，說明羥基自由基可以徹底氧化吡啶為二氧化碳，提高反應的礦化度。
2. 5 材料的磁分離性能
本實驗對磁性催化劑的磁分離性能進行了探究。在 40 mL 的充滿去離子水的玻璃瓶中，加入0. 1 g 的催化劑，混勻后放在磁鐵上靜置沉淀，分離效果如圖 6 所示。由圖可知，C - Fe3O4 具有很好的磁分離性能，而粉末活性炭與水的分離效果很差。
3結論
文章以粉末活性炭為載體，通過堿性共沉淀法制備了磁性活性炭。通過XRD和掃描電鏡對粉末活性炭和磁性活性炭進行表征，證明活性炭上成功地負載上了四氧化三鐵。以磁性活性炭為催化劑，催化臭氧降解吡啶，提高了吡啶的去除效果。
向催化體系中投加叔丁醇，發現吡啶去除效果降低，說明催化體系中有.0H的生成。對反應過程中的TOC進行了測定，發現單獨臭氧化體系對TOC基本有去，而f化體系中TOC的去除率可以達到17.45%，說明.OH可以提高啶的礦化度。通過沉淀實驗發現磁性活性炭具有良好的磁分離性能。
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