基于Au@Pd双金属纳米粒子的催化材料对含氯PPCPs的降解研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lzl1988
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随着科技的快速发展,科学家们制造出大量合成药物用于对抗各种疾病。合成药物的广泛使用一方面使人类及经济动物的寿命及健康状况得到了改善,另一方面却使大量的药物、个人护理品、药物代谢产物在未适当处理的情况下被直接排放到环境中。这些排放到环境中的药物及个人护理品(PPCPs)难以通过环境的自净作用或传统水处理手段去除。同时,这些PPCPs在环境中的存在会带来新的环境问题。近年来,包括混凝-絮凝法、吸附法、膜技术、生物膜技术、离子交换技术、高级氧化技术、催化技术在内的各种物化手段均被尝试用于去除PPCPs。然而由于PPCPs种类繁多、性质各异,对PPCPs的毒性及其去除手段的研究依然有限。含氯PPCPs是一类已知的因为含有碳氯键而具有显著环境毒性的有机物。因此研究去除已知具有环境毒性的含氯PPCPs的手段就显得有意义了。  Pd催化剂在H2环境下可以打断有机物中的碳氯键。然而Pd在室温下的反应速率缓慢,这阻碍了Pd催化剂在去除PPCPs方面的实际应用。通过控制Pd粒子的尺寸使其纳米化并与Au纳米粒子(NPs)结合制得核壳结构的Au@Pd双金属纳米粒子(BNPs)可以有效的提高Pd的催化性能。本论文制备了AuNPs为核Pd覆盖在其上形成壳的具有高催化活性的Au@Pd BNPs,并使用其去除特定含氯PPCPs。同时通过制备基于Au@Pd BNPs的宏观或磁性催化材料,尝试制备能够进行实际应用的催化材料。主要研究内容包括以下部分:Au@Pd BNPs的制备,Au@Pd BNPs去除特定含氯PPCPs能力的研究,Au@Pd BNPs负载在宏观、磁性载体上得到的催化材料性能的研究,催化材料模拟实际应用的尝试。研究表明:  1.Au@Pd BNPs中Au的加入及Au@Pd BNPs的核壳结构可以大幅提高 Au@Pd BNPs中Pd的催化性能。通过控制Au、Pd配比及制备条件可以大幅提高Au@Pd BNPs的催化性能。  2.Au@Pd BNPs可以在H2环境中有效的去除包括双氯高灭酸、氯霉素、三氯生、对氯苯氧异丁酸在内的含氯PPCPs。这些反应证明了Au@Pd BNPs可以广泛地运用于去除含氯PPCPs。HPLC和LC-MS等测试手段被用于有效地分析各降解反应的反应机理及降解产物。在各个降解反应过程中Au@Pd BNPs的反应速率均高于Pd NPs。  3.树脂、玻璃、ITO玻璃被用于通过等体积浸润法或层层自组装法负载Au@Pd BNPs制备717-Au@Pd、Glass-Au@Pd及ITO-Au@Pd。在这些催化材料中,717-Au@Pd体现出了较为优秀的催化性能,在实验条件下完全去除了水中的氯霉素(50 mg L-1,50 mL)。同时,循环实验也被用于验证717-Au@Pd的再生性能。  4.Fe3O4被用于通过等体积浸润法或加入交联剂的方法负载Au@Pd BNPs制备催化材料Fe3O4@Si-Au@Pd和Fe3O4@Si-NH2-Au@Pd。其中,Fe3O4@Si-NH2-Au@Pd体现出了较为优秀的催化性能,在实验条件下完全去除了水中的对氯苯氧异丁酸(20 mg L-1,50 mL)。同时,循环实验也被用于验证Fe3O4@Si-NH2-Au@Pd的再生性能。  5.将一定量的717-Au@Pd填充入一反应柱内制成催化单元。H2和氯霉素溶液(0.5 mg L-1,4±1 mL min-1)被通入反应单元并通过HPLC检测出水。在30d实验周期内,反应单元出水中未检测到明显的氯霉素的存在。这表明该反应单元具有在模拟应用条件下在线去除氯霉素的能力。
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