Mg-Al层状双金属氧化物催化臭氧降解阿特拉津的性能研究.pdf
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1、工业用水与废水陨晕阅哉杂栽砸陨粤蕴 宰粤栽耘砸 驭 宰粤杂栽耘宰粤栽耘砸灾燥造援54晕燥援4Aug.袁 2023李尚坤员袁圆袁 李彦刚员袁 孙磊圆袁 袁向娟圆袁猿袁 夏东升圆袁猿渊1.北京城市排水集团科技研发中心袁 北京100022曰 2.武汉纺织大学 环境工程学院袁 武汉430200曰3.武汉纺织大学 纺织印染清洁生产教育部工程中心袁 武汉430200冤基金项目院 国家自然科学基金青年项目渊51808412冤臭氧渊韵猿冤具有较高的氧化还原电位渊圆援园苑 灾冤袁可有效去除水中的色度尧 臭味和难降解有机物袁 易攻击有机物中的不饱和键袁 但与饱和有机物的反应速率较低袁 且难以将有机物彻底矿化成二氧
2、化碳和水咱员暂遥 韵猿催化氧化法分为均相 韵猿催化氧化和非均相 韵猿催化氧化袁 均相 韵猿催化氧化法是通过向 韵猿摘要院 采用水热沉淀原煅烧法在煅烧温度为 源园园 益 和 酝早 与 粤造 物质的量比为 猿 时制得 酝早猿粤造原源园园 复合材料袁通过 杂耘酝尧 云栽原陨砸 和 载孕杂 等分析 酝早猿粤造原源园园 复合材料的形貌结构和理化组成袁 考察运行参数对其催化臭氧降解阿特拉津渊粤栽在冤的影响遥 结果表明院 酝早猿粤造原源园园 具有优异的催化臭氧降解 粤栽在 性能袁 当其投加量为 猿缘园 皂早辕蕴袁 粤栽在质量浓度为 缘 皂早辕蕴袁 溶液初始 责匀 值为 远 时袁 反应 猿 皂蚤灶 后 粤栽在
3、 的去除率高达 怨怨豫遥 此外袁 酝早猿粤造原源园园 在 缘 次循环后仍具有较好的稳定性遥 自由基抑制试验表明 窑 O2-和 窑 OH 对 粤栽在 的降解起到关键作用遥 对降解过程和反应机理分析可知袁 表面 酝早要韵匀 是其发挥催化作用的活性位点遥关键词院 臭氧曰 层状双金属氢氧化物曰 双金属氧化物曰 催化剂曰 阿特拉津中图分类号院 载苑03.1文献标志码院 粤文章编号院摇员园园怨原圆源缘缘渊圆园23冤园4原园园54原园6Investigation of performance of ozone catalyzed by Mg-Al layeredbimetallic oxides for d
4、egradation of atrazine蕴陨 杂澡葬灶早噪怎灶员袁圆袁 蕴陨 再葬灶早葬灶早员袁 杂哉晕 蕴藻蚤2袁 再哉粤晕 载蚤葬灶早躁怎葬灶2袁3袁 载陨粤 阅燥灶早泽澡藻灶早2袁3渊1.Research and Development Center of Beijing Drainage Group Technology,Beijing 100022,China;2.School ofEnvironmental Engineering,Wuhan Textile University,Wuhan 430200,China;3.Engineering Research Center
5、for CleanProduction of Textile Dyeing and Printing,Ministry of Education,Wuhan Textile University,Wuhan 430200,China冤Abstract院 Mg3Al-400 composite material was synthesized by hydrothermal sedimentation-calcination undercondition that the calcinations temperature was 400 益 and the mass ratio of Mg to
6、 Al was 3,its morphologystructure and physicochemical composition were analyzed through SEM,FT-IR and XPS,meanwhile,the influ鄄ence of various factors on catalytic ozonation degradation of ATZ was investigated.The results showed that,Mg3Al-400 had excellent catalytic performance for ozone degradation
7、 of ATZ,when the dosage was 350 mg/L,themass concentration of ATZ was 5 mg/L,the initial pH value of the solution was 6,the reaction time was 3 min,the removal rate of ATZ reached 99%.Mg3Al-400 showed good stability for pollutants removal over five reactioncycles,the free radical inhibition test dem
8、onstrated that窑 O2-and窑 OH played a key role on ATZ degradation.Through the analysis on the mechanism of the reaction and the degradation process,it can be found that Mg要OH onthe surface of Mg3Al-400 was the active site to play the catalytic role.Keywords院 ozone;layered double metal hydroxide;bimeta
9、llic oxides;catalyst;ATZMg-Al 层状双金属氧化物催化臭氧降解阿特拉津的性能研究施工尧 设备与材料窑 54 窑氧化体系中投加液体催化剂或光辐射实现的袁 催化活性高但不易回收利用遥 而非均相 韵猿催化氧化技术因其反应速率快袁 固液分离方便袁 可循环利用性强和运行成本相对较低而引起了废水处理领域的广泛关注咱圆暂遥层状双金属氢氧化物渊蕴阅匀冤是一类阴离子水滑石类结构材料袁 其通式可表示为咱酝圆垣员原曾酝猿垣曾渊韵匀冤圆暂曾垣渊粤灶原曾 辕灶冤 窑 皂匀圆韵袁 其中 酝圆垣和 酝猿垣分别代表二价和三价金属离子遥 蕴阅匀 具有独特的层状结构袁 其层状金属离子具有可调节和记忆性咱
10、猿暂遥 研究发现 蕴阅匀在一定高温下煅烧后袁 原有的层状结构坍塌形成分散度高尧 比表面积大且活性强的双金属氧化物渊蕴阅韵冤咱源暂遥 目前镁铝双金属氧化物渊酝早粤造原蕴阅韵冤因其结构记忆性和优异的半导体性能而被广泛应用于吸附咱源暂和光催化咱缘暂处理中袁 而在催化 韵猿氧化去除水体微量污染物的应用研究较少遥阿特拉津渊粤栽在冤是一种分子结构稳定袁 不易降解且应用广泛的除草剂袁 能影响水生生物的生长和繁殖袁 是一种潜在的致癌物质遥 以 粤栽在 为目标物袁 通过水热沉淀原煅烧法合成一系列 酝早粤造原蕴阅韵催化剂袁 评估其催化 韵猿降解 粤栽在 的活性袁 并探讨催化剂的理化性质尧 稳定性和反应机制遥员材料
11、与方法员援员试验用水采用蒸馏水配制原水遥 粤栽在 为分析纯袁 纯度为 怨愿豫袁 在原水中的初始质量浓度为 缘 皂早辕蕴遥员援圆试剂与仪器六水硝酸镁渊酝早渊晕韵猿冤圆窑 远匀圆韵冤尧 九水硝酸铝渊粤造渊晕韵猿冤猿窑 怨匀圆韵冤尧 氢氧化钠渊晕葬韵匀冤尧 碳酸钠渊晕葬圆悦韵猿冤尧 盐酸渊匀悦造冤尧 叔丁醇渊栽月粤冤尧 对苯醌渊月匝冤 等均为分析纯遥悦云再原圆缘 型 韵猿发生器袁 陨阅耘粤蕴原圆园园园 型 韵猿监测仪袁 耘圆远怨缘 型高效液相色谱仪袁 杂载圆原缘原员缘 型马弗炉袁 粤杂粤孕 圆园员园 型比表面和孔径分布测定仪袁匝怎葬灶贼葬 云耘郧 圆缘园 型发射扫描电子显微镜袁 栽澡藻则皂燥杂糟蚤藻
12、灶贼蚤fi糟 晕蚤糟燥造藻贼 蚤杂缘 型傅立叶红外光谱仪袁 栽澡藻则皂燥耘杂悦粤蕴粤月 圆缘园载蚤 型 载 射线光电子能谱仪遥员援猿催化剂 酝早3粤造原400 的制备分别称取 源援远园愿 g 酝早渊晕韵猿冤圆窑 远匀圆韵 和 圆援圆缘0 早粤造渊晕韵猿冤猿窑 怨匀圆韵 固体袁 用蒸馏水将其完全溶解袁 利用 晕葬韵匀渊员援缘 皂燥造辕蕴冤和 晕葬圆悦韵猿渊员 皂燥造辕蕴冤的混合液调控悬浮液 责匀 值至 员园 依 园援员遥 将所得悬浮液在员园园 益 下 水 浴 反 应 圆源 澡 得 到 酝早猿粤造 原蕴阅匀遥 将酝早猿粤造原蕴阅匀 放入 源园园 益 马弗炉中煅烧 源 澡袁 得到酝早猿粤造原蕴阅韵遥
13、员援源催化剂表征比表面积采用比表面和孔径分布测定仪分析遥样品的形貌采用发射扫描电子显微镜进行表征遥 样品组成尧 官能团采用傅立叶红外光谱仪进行分析遥催化剂中各元素化学结合态采用 载 射线光电子能谱仪分析遥员援缘试验方法渊员冤 单因素试验遥 通过控制单一变量法研究了催化剂投加量尧 初始 粤栽在 浓度尧 初始溶液 责匀 值等因素对催化 韵猿降解 粤栽在 效果的影响遥试验基本操作过程如下袁 根据考察因素改变相应因素的参数遥 向 缘园园 皂蕴 三颈烧瓶中配置 缘 皂早辕蕴的 粤栽在 溶液袁 Mg3Al-400 投加量为 猿缘园 皂早辕蕴袁 调节溶液 责匀 值至 远援园 依 园援员袁 反应温度为 圆园
14、益遥 韵猿投加量为 员缘 早辕皂猿袁 反应后 韵猿尾气用 运陨 溶液处理遥渊圆冤 无机阴离子影响试验遥 依据单因素试验结果袁 在 酝早猿粤造原源园园 的投加量为 猿缘园 皂早辕蕴袁 韵猿投加量为 员缘 早辕皂猿袁 初始 粤栽在 质量浓度为 缘 皂早辕蕴袁 溶液初始 责匀 值为 远 的最佳条件下袁 分别投加 圆园园 皂早辕蕴的 悦造-尧 杂韵源圆-尧 悦韵猿圆原尧 匀悦韵猿-尧 孕韵源猿-袁 考察无机阴离子对催化 韵猿降解 ATZ 效果的影响遥渊猿冤 催化剂稳定性试验遥 将使用过的催化剂洗涤尧 离心并烘干袁 回收再利用遥 在酝早猿粤造原源园园 的投加量为 猿缘园 皂早辕蕴袁 韵猿投加量为 员缘
15、早辕皂猿袁 初始 粤栽在质量浓度为 缘 皂早辕蕴袁 溶液初始 责匀 值为 远 的条件下袁 进行 缘 次循环试验袁 以验证催化剂的稳定性遥渊源冤 自由基抑制试验遥 为了阐述 酝早猿粤造原源园园 催化 韵猿降解 粤栽在 的反应机理袁 在 酝早猿粤造原源园园 的投加量为 猿缘园 皂早辕蕴袁 韵猿投加量为 员缘 早辕皂猿袁 初始 粤栽在质量浓度为 缘 皂早辕蕴袁 溶液初始 责匀 值为 远 的条件下袁 通过自由基抑制试验袁 初步探讨了反应机理遥员援远分析方法粤栽在 浓度采用 匀孕蕴悦 进行分析和测定袁 流动相为 V水颐 V乙腈越 猿园豫 颐 苑园豫 的溶液袁 流速为 员援园 皂蕴/皂蚤灶袁 柱温设置为
16、猿园 益袁 检测器波长为 圆圆缘 灶皂遥圆结果与讨论圆援员酝早猿粤造原源园园 复合材料的表征结果圆援员援员杂耘酝 表征复合材料 酝早猿粤造原源园园 煅烧前后的形貌特征如图李尚坤袁 李彦刚袁 孙磊袁 等院 Mg-Al 层状双金属氧化物催化臭氧降解阿特拉津的性能研究窑 55 窑工业用水与废水陨晕阅哉杂栽砸陨粤蕴 宰粤栽耘砸 驭 宰粤杂栽耘宰粤栽耘砸灾燥造援54晕燥援4Aug.袁 2023员 所示遥 图 员渊葬冤呈现出 酝早猿粤造原蕴阅匀 的片状结构袁经过煅烧之后袁 出现明显的坍塌现象渊如图 员渊遭冤冤袁孔径增加到 怨远援愿怨A袁 比表面积增加到 员愿缘援员 皂圆辕早遥表 员 是复合材料 酝早猿粤造
17、原蕴阅匀 和 酝早猿粤造原源园园 的 耘阅杂元素含量对比袁 复合材料 酝早猿粤造原蕴阅匀 中 悦 原子含量最高袁 主要是层间的 悦韵猿圆-所致咱远暂袁 经过煅烧之后 悦 原子含量明显降低袁 形成镁铝复合氧化物咱苑暂遥圆援员援圆云栽原陨砸 表征复合材料 酝早猿粤造原源园园 的 云栽原陨砸 图谱如图 圆 所示遥 在 猿 源缘园 糟皂-员附近的强吸收峰归属于羟基和层间结晶水的 韵要匀 键伸缩振动峰咱愿暂遥 在 员 远猿缘 糟皂-员附近的吸收峰对应于层间结晶水的弯曲振动袁 在员 源员圆 糟皂-员处的吸收峰是由于层间水分子的 悦韵猿圆-弯曲伸缩振动咱9暂袁 进一步证实了 悦韵猿圆-的存在遥 在 源缘圆糟
18、皂-员处的吸收峰是 酝早要韵匀 金属键的晶格振动咱10暂袁在催化 韵猿分解自由基的过程中袁 表面 酝早要韵匀 起到了十分重要的作用袁 推测是催化 韵猿反应的活性位点咱员1暂遥 在 远缘猿 糟皂-员处的吸收峰是由 粤造要韵 在八面体配位键渊粤造韵远八面体单元冤下的晶格振动模式引起的咱员2暂遥圆援员援猿载孕杂 表征载孕杂 进一步揭示了 酝早猿粤造原源园园 的化学组成和电子形态渊如图 猿 所示冤袁 证实了 酝早猿粤造原源园园 复合材料存在 酝早尧 粤造尧 韵 和 悦 元素遥 酝早 员泽 特征峰的结合能为 员 猿园源援圆 藻灾袁 证实 酝早圆垣的存在咱员3暂遥 粤造 圆责 特征峰的结合能为 苑源援圆
19、藻灾袁 对应于 粤造要韵咱9暂遥 韵 员泽 有 2 个特征峰袁 分别对应于 缘圆怨援苑 和 缘猿员援苑藻灾袁 归属于酝早要韵 和金属羟基或者金属阳离子渊酝要韵匀冤配位的水分子咱员源暂袁 与 云栽-陨砸 结果一致遥 此外袁 酝要韵匀结构在催化 韵猿氧化过程中起着至关重要的作用咱员1暂遥悦 员泽 特征峰的结合能分别为 圆愿源援远尧 圆愿远援圆 和 圆愿怨援园藻灾袁 归属于 悦要悦尧 悦要韵 和 悦韵猿圆-咱员缘暂遥圆援圆酝早猿粤造原源园园 催化 韵猿降解 粤栽在 的影响因素圆援圆援员催化剂投加量在初始 粤栽在 质量浓度为 缘 皂早辕蕴袁 韵猿投加量为员缘 早辕皂猿袁 溶液 责匀 值为 远援园 条件
20、下袁 考察 酝早猿粤造原源园园 的投加量对催化 韵猿降解 粤栽在 的影响袁 结果如图 源 所示遥 随着 酝早猿粤造原源园园 的投加量从 员园园 皂早辕蕴增加到 缘园园 皂早辕蕴袁 粤栽在 去除率先增加后减少袁 投加量增加到 猿缘园 皂早辕蕴 时袁 反应 猿 皂蚤灶 后袁 粤栽在 的渊a冤 Mg3Al-LDH渊b冤 Mg3Al-400图 1复合材料 Mg3Al-LDH 和 Mg3Al-400 的 SEM 图片Fig.1SEM photos of composite material Mg3Al-LDH andMg3Al-400元素Mg3Al-LDHMg3Al-400元素质量比辕豫原子数量比辕豫元
21、素质量比辕豫原子数量比辕豫C50.2459.518.9113.11O38.0033.7956.6262.55Mg8.765.1224.4417.77Al3.001.5810.036.57表 1复合材料 Mg3Al-LDH 和 Mg3Al-400 的 EDS元素含量对比Tab.1Comparation of EDS elements content of Mg3Al-LDHand Mg3Al-400图 2催化剂 Mg3Al-400 的 FT-IR 图谱Fig.2FT-IR spectra of catalyst Mg3Al-400500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
22、 4000波数辕cm原员706050403020 4526531 4121 6353 450 Mg 2pAl 2pMg 2sAl 2sC 1sMg AugerMg AugerO 1sO AugerMg 1s02004006008001 0001 2001 400结合能辕藻灾图 3催化剂 Mg3Al-400 的 XPS 图谱Fig.3XPS spectra of catalyst Mg3Al-400窑 56 窑去除率达到 怨怨豫遥 表明 酝早猿粤造原源园园 表面的活性位点对 粤栽在 的降解有着重要的贡献袁 随着投加量的增加袁 单位体积内催化剂表面的活性位点数量不断增加袁 提高了 粤栽在 的降解效
23、率咱员远暂遥 而过量的催化剂会发生团聚效应袁 抑制了活性位点的有效性咱员苑暂袁 从而导致 粤栽在 的降解速率降低遥圆援圆援圆粤栽在 初始浓度在催化剂 酝早猿粤造原源园园 的投加量为 猿缘园 皂早辕蕴袁 韵猿投加量为 员缘 早辕皂猿袁 溶液 责匀 值为 远援园 的条件下袁 考察 粤栽在 初始浓度对催化 韵猿降解 粤栽在 的影响袁 结果如图 缘 所示遥 在反应 猿 皂蚤灶 时袁 初始质量浓度为 员尧圆尧 缘 和 员园 皂早辕蕴 的 粤栽在 的去除率分别为 怨怨援员员豫尧怨怨援园源豫尧 怨愿援远愿豫 和 愿缘援猿圆豫遥 随着初始浓度的增加袁粤栽在 的去除率逐渐降低袁 这是因为产生的活性物质被更多的
24、粤栽在竞争咱员愿暂袁 在高 ATZ 浓度下袁 催化剂上活性位点被覆盖袁 导致 粤栽在 去除率降低咱员怨暂遥圆援圆援猿初始溶液 责匀 值责匀 值在催化 韵猿氧化过程中起着至关重要的作用遥 在催化剂 酝早猿粤造原源园园 的投加量为 猿缘园 皂早辕蕴袁韵猿投加量为 员缘 早辕皂猿袁 初始 粤栽在 质量浓度为 缘 皂早辕蕴的条件下袁 考察初始 责匀 值对单独 韵猿和 韵猿辕酝早猿粤造原源园园 降解 粤栽在 的影响袁 结果如图 远 所示遥 在 责匀 值为 猿援园 耀 怨援园 范围内袁 与单独 韵猿相比袁 酝早猿粤造原源园园对 粤栽在 的降解效果明显增强袁 在催化 韵猿降解过程中 粤栽在 的去除率受溶液的
25、 责匀 值影响较小袁 而单独韵猿过程受 责匀 值的影响较大遥 在催化 韵猿降解过程中袁 酝早猿粤造原源园园 的 Z藻贼葬 电位随溶液 责匀 值的增加而降低袁 酝早猿粤造原源园园 的 责匀责扎糟测定值为 员园援圆圆遥 在 责匀值为 猿援园 耀 怨援园 范围内袁 酝早猿粤造原源园园 复合材料带正电袁 成为 韵猿分解成 窑 韵匀 的活性位点袁 同时可以吸引溶液中的 韵匀-袁 在催化剂表面形成微碱性的环境袁 促进 窑 韵匀 的形成咱圆园暂遥圆援圆援源无机阴离子在生活污水中存在各种各样的无机阴离子袁 如悦造-尧 杂韵源圆-尧 悦韵猿圆原尧 匀悦韵猿2-尧 孕韵源猿-等袁 考察无机阴离子的影响对实际应用具
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