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本文选择一种含铁量高的硅铝酸盐工业固体废弃物(高铁粉煤灰)作为原料来进行负载型无定形羟基氧化铁(sorpported amorphous FeOOH,SAF)的合成。一方面,采用绿色的化学工艺和温和的反应条件,对该原料进行改性处理,使其所固有的铁元素进行重组,生成无定形羟基氧化铁,使原料提供铁源;另一方面,铁元素在重组的过程中进入液相后,又以无定形的形式从液相中分离出来,在沉积的同时也实现了负载和复合,形成SAF,使原料承担载体的功能。为了掌握该材料的光催化性能和吸附性能、探讨该材料制备过程中Fe的转化机制、以及物化性能的变化,本文选用了XRD、FT-IR、SEM、LPS和BET等测试技术对合成材料进行了表征;同时也选择高浓度砷废水和印染废水(MO甲基橙溶液)作为研究目标,分别对该材料的吸附性能和光催化性能进行了验证,获得的主要研究成果如下:
(1)经过铁元素的化学重组,使粉体颗粒的表面转化为多孔状,比表面积由原来的6.23 m2/g增大为140 m2/g,这样大大增加了反应界面和表面活性位,促进了MO的催化降解和砷的去除。
(2)经过铁元素的化学重组,大大增加了粉体颗粒的粒径,平均粒径从5.51μm增大至21.05μm,这样大大促进了该粉体材料在反应结束后固—液相之间的分离。
(3)研究了SAF对砷的吸附性能。发现SAF的吸附性能明显优于其它类似材料,最大吸附量为19.5 mg/g;而且等温吸附研究表明该材料吸附特性与Langmuir模型一致,符合单分子吸附特性。
(4)研究了SAF对MO光催化降解能力。发现SAF催化性能良好,而且极大提高了该催化剂对反应溶液酸碱性的适应性。溶液pH在5.0-9.0的条件下,催化性能保持不变。证明该催化剂不仅适应酸性条件,而且也适应碱性条件,这大大提高了“光-Fenton反应体系”的适用范围,对于光-Fenton试剂的工业运用,具有切实意义。另外SAF催化能力强,实验表明,在溶液pH在5.0-9.0范围内,催化剂投放量为2.5g/L的条件下,80分钟的光照反应可以使50 ppm的MO污水完全降解。
(5)稳定性实验表明SAF在合成和储存的过程中无晶化现象发生,而且载体与FeOOH结合牢靠,无脱离。经研究,认为原料中固有的硅铝酸盐同铁元素通过Fe-Si化学键结合,阻止了无定形FeOOH的晶化,同时也增加了基体与无定形FeOOH的结合力。另外五次重复实验表明,材料的光催化性能稳定,铁渗漏少。
(6)以工业固体废弃物为原料,进行SAF的合成,避免了铁源和载体的加入,节约化工原料,同时制备的新材料又满足污水治理的要求,材料制备过程和污水处理过程符合“绿色、环保、节能”的环保理念,而且也实现了工业固体废弃物高附加值利用的目的,是对废弃资源综合利用的一次有益尝试,具有一定的科学价值和意义。