基于CuO/Al2O3催化剂的微波辅助类Fenton催化氧化水中PNP的研究

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难降解有机物具有复杂的分子结构、较强的生物毒性和比较稳定的物理化学性质,不易被生物降解,对水环境和水生生物带来极大危害。本文研制一种新型的类Fenton催化剂CuO/Al2O3,以难降解有机物-对硝基苯酚(PNP)为目标污染物,构建了微波辅助类Fenton体系处理PNP废水工艺,并对微波辅助类Fenton体系的反应机制进行了探讨。采用浸渍-沉淀法制备CuO/Al2O3催化剂,以PNP去除率为评价指标,得出催化剂的最佳制备条件为:Cu(NO3)2浸渍液浓度0.6mol/L,沉淀剂NaOH溶液浓度0.4mol/L,浸渍固液比为20g Al2O3/100mL Cu(NO3)2浸渍液,焙烧温度350℃,焙烧时间4h。通过对CuO/Al2O3催化剂进行SEM、BET分析知,催化剂比表面积为234.85m2/g,总孔容为0.38cm3/g,平均孔径为4.55nm,催化剂呈现丰富的中孔结构。以PNP为处理对象,构建了微波辅助类Fenton体系处理PNP废水静态工艺和动态工艺。静态工艺在微波化学实验炉(MCL-2)内进行,对于100mL50mg/L的PNP溶液,最佳工艺条件为:CuO/Al2O3催化剂投加量4g,微波100W,辐照时间6min,H2O2加入量25mmol/L。6min后,PNP去除率为99.41%,TOC去除率为77.9%。动态工艺在全功能型微波化学工作平台(EXCEL)中进行,对于3L50mg/L PNP溶液,最佳工艺条件为:3g催化剂分3层放置,每层1g,进水流量15mL/min,H2O2加入量20mmol/L,反应液出水温度60℃,反应时间200min。出水PNP去除率保持在80%以上,TOC去除率为71.2%。此外,对催化剂的稳定性和使用寿命进行了研究,催化剂重复使用8次后仍能保持较高的催化活性,有望应用于实际废水处理中。通过比较不同工艺条件下PNP去除率和·OH生成规律对反应机制进行了探讨。单独微波和单独催化剂存在的体系中基本没有PNP的去除和·OH的生成。微波和催化剂的引入,可以促进H2O2生成·OH,PNP去除率明显上升。其中,微波的加强作用要高于催化剂的加强作用,两者共同引入后的加强作用要高于微波和催化剂两者单独加强作用的加和,说明微波场和类Fenton反应体系中存在良好的协同作用。
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