铁酸盐/污泥活性炭复合材料的制备及其在高级氧化法中的应用研究

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在高级氧化技术中,基于硫酸根自由基(SO4-·)的氧化体系在降解有机污染物时,因其具有氧化能力强速率快、污染物矿化程度高、pH适用范围广等优点而成为了当前研究的热点。目前,关于硫酸根自由基的研究主要集中在高效可回收催化剂的制备、催化反应条件的优化、催化剂再生性能的提高以及反应机理的研究等方面。基于此,本研究提出以水中常见的两种污染物,染料橙黄G(Orange G,OG)以及抗生素诺氟沙星(Norfloxacin,NOR)作为目标污染物,利用污泥基活性炭(SAC)负载尖晶石型铁酸盐(MFe2O4)作为催化剂,与过硫酸盐形成非均相自由基体系分别降解两种污染物。通过X-射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线电子能谱(XPS)等表征手段证明了利用水热合成法和溶剂热合成法分别制备的SAC/MnFe2O4和SAC/CoFe2O4复合催化剂的成功合成。SAC/MnFe2O4复合材料在激活过二硫酸盐(PS)中表现出良好的催化活性,能够在pH值为3-9范围内降解OG,反应速率随着pH值的升高而减小。在实验温度为15℃-55℃的范围内,OG的降解速率随着温度的增高而增大。另外,在再生循环实验中催化剂循环利用5次依然保持良好的活化活性,结合重金属浸出实验结果表明,SAC/MnFe2O4催化剂具有良好的催化稳定性和结构稳定性。在SAC/MnFe2O4-PS体系降解污染物的反应中,HO·和SO4-·两种自由基都存在,但后者发挥了主导作用,此外,OG降解反应发生在催化剂的近表面。在SAC/CoFe2O4催化过一硫酸盐(PMS)降解NOR的实验中,pH=59的范围内,NOR能在60min左右降解95%;而在强酸或强碱性条件下,NOR的降解效率会受到不同程度的抑制。溶液中共存阴离子对该体系催化反应的影响程度为Cl->HCO3->NO3-。催化剂在连续五次循环使用后,SAC/CoFe2O4-PMS体系对NOR的降解率仍能达到90%以上,表明催化剂有较好的再生性能和催化稳定性。在反应机理的研究中,占主导地位自由基的不是·OH而是SO4-·。此外,通过LC-MS测定了反应后溶液中的离子碎片,提出了NOR在该体系中的降解路径主要有哌嗪环断裂、脱氟、脱羧以及喹诺酮基团变形。通过本研究的开展,为剩余污泥的资源化利用提供了新的途径,并构建了一种环境友好的非均相硫酸根自由基氧化技术,用于高效处理染料和抗生素废水,具有一定的指导意义。
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