ZSM-5分子筛催化剂的制备及协同过硫酸盐降解含酚废水的研究

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含酚废水是一种来源较为广泛和普遍的工业废水,酚类物质实际上是类似化合物的统称,主要包括苯酚的取代物、氯酚、多元酚、硝基酚等。对硝基苯酚是一种较常见的酚类,可以在许多工农业的废水中检测到。由于对硝基苯酚独特的化学结构,使其很难被降解,环境中可以长期存在,导致严重的生态环境问题。当前对含酚类废水的处理技术主要可分为三大类:物理处理法、生化处理法和化学处理法。其中高级氧化技术是近些年的研究热点,特别是光催化因其具有优良的化学稳定性、价格低廉、无毒无害、使用安全等优点。Ti02是光催化领域中研究最为普遍、应用最为广泛光催化材料。然而在实际应用过程中仍有许多理论、实践问题尚待解决,很大程度上限制大规模的应用。限制其发展的主要原因是TiO2光催化材料较宽的禁带宽度,电子空穴对利用率不高;将材料纳米化是提高催化性能较好的方法,但是纳米材料容易随水流失,回收比较困难。本文根据现存的一些问题,将要研究的内容分为如以下三个方向。(一)改性ZSM-5分子筛并制备负载型催化材料。ZSM-5分子筛由于其独特的晶体结构和孔道框架,被广泛应用于吸附,催化及固定化等,但ZSM-5是微孔分子筛,在一定程度上限制其更为广泛的应用。本研究将对其进行改性,扩大孔径,增强有机大分子物质的传递性能。用溶胶凝胶法将Ti02负载在改性后的分子筛上制备复合型催化剂TiO2/ZSM-5以及用浸渍负载法制备出复合型催化剂CuO/ZSM-5。使用扫描电镜、X射线衍射仪、红外光谱和N2吸附-脱附等分析技术表征其物化性能。(二)研究TiO2/ZSM-5耦合过硫酸盐催化降解对硝基苯酚性能。本研究采用过硫酸盐作为电子捕获剂,来提高电子空穴的利用率,进而间接提高羟基自由基(HO·)含量。过硫酸盐不仅可以起到接受电子的降低电子空穴对复合几率,还会生成氧化性极强硫酸根自由基(SO4-·),两种自由基的协同处理含酚废水。通过耦合TiO2/ZSM-5/S2O82产SO4-·体系,以对硝基苯酚为目标污染物,系统的考察了初始pH、TiO2/ZSM-5投加量、FeSO4、Na2S2O8浓度和初始浓度对pNP降解性能的影响。结果表明,在TiO2/ZSM-5投加量为0.8 g/L, pH为4, FeSO4为0.4g/L, Na2S2O8为2.4g/L,常温下反应240 min优化条件下,对硝基苯酚(50 mg/L)去除率达到99.31%。硝基苯酚降解动力学符合Langmuir-Hinshelwood模型。(三)通过序批试验考察了CuO/ZSM-5/过硫酸盐体系降解苯酚废水效果和机理。研究发现复合型CuO/ZSM-5催化材料中铜以CuO的形式存在,当反应体系的温度上升,催化材料投加量的增加,苯酚的去除率上升,达到定值后趋于平稳。pH是影响苯酚去除率最大的因素之一。在苯酚初始平均浓度为50mg/L, CuO/ZSM-5投加量为2g/L, pH为7.0,C(Na2S2O8)为3.2 g/L,温度70℃反应90 min,苯酚去除率达到98.3%。用GC-MS(气相色谱-质谱联用仪)对处理前后废水中的污染物进行测定以揭示降解与转化规律,发现苯酚能有效降解,但产生的中间产物明显增多。
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