发布时间：2021-09-30所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 环境科学与管理
《磁性活性炭的制备及其催化臭氧性能的研究》论文发表期刊：《环境科学与管理》；发表周期：2021年06期
《磁性活性炭的制备及其催化臭氧性能的研究》论文作者信息：曹一丰( 1995 － ) ，男，硕士研究生，主要研究方向: 污水
摘 要: 中国每年都有大量的含吡啶废水排放，吡啶有毒难降解，一般工艺较难去除，而催化臭氧氧化技术对其具有较好的处理效果。粉末活性炭是一种常用的臭氧催化剂，其催化效果好，但在水中不易分离，通过碱性共沉淀法在其上负载磁性物质，制备磁性活性炭，可以解决这一问题。通过一系列实验发现，粉末活性炭上成功负载上了 Fe3O4，制备的磁性活性炭具有较好的催化臭氧的效果和磁分离性能，反应过程中，产生了羟基自由基并且提高了吡啶的矿化度。
关键词: 磁性活性炭; 催化臭氧化; 吡啶
Abstract: A large number of pyridine containing wastewater is discharged in China every year. Pyridine is toxic and difficult to be degraded，and it is difficult to be removed by general process. However，catalytic ozonation technology has a better treat- ment effect on it. Powdered activated carbon( PAC) is a common ozone catalyst，which has good catalytic effect but is not easy to be separated in water. This problem can be solved by preparing magnetic activated carbon with magnetic material loaded on it by alkaline co - precipitation method. Through a series of experiments，it was found that the powdered activated carbon was success- fully loaded with Fe3O4，and the prepared magnetic activated carbon had a better catalytic effect of ozone and magnetic separation performance. In the process of reaction，hydroxyl radical was generated，and the mineralization of pyridine was improved.
Key words: magnetic activated carbon; catalytic ozonation; pyridine
前言
2010 年，中国已经成为世界上最大的制造国[1]。工业的快速发展引发了严重的环境问题，2018 年，中国地表水中仍有 29. 0%的水体在 IV 类以下[2]。
吡啶广泛应用于工业生产的各个行业是一类具处理。有较大危害性的物质[3 - 4]。臭氧作为一种强氧化剂，常用于污水处理当中[5]。然而，吡啶吸电子特性较强，具有抗臭氧化作用[6]。另外，臭氧分子的水溶性较差，利用率低，运行成本高[7]。通过向臭氧体系中投加催化剂，催化臭氧产生·OH 可以解决这些问题。粉末活性炭的催化效果好，但在水中不易分离，通过在其上负载磁性物质，可以很好的实现催化剂的分离回收。文章采用碱性共沉淀法制备了磁性活性炭作为臭氧催化剂，对于含吡啶废水的处理以及实现催化剂的回收具有重要的意义。
材料与方法
1.1 仪器与试剂
臭氧发生器(HY-003-20A，广州佳环，中国);分光光度计(16，北京普析，中国);离心机(TGL-20B，上海安亭，中国);恒温加热磁力搅拌器(DF-101s，巩义予华，中国)：数显鼓风干燥箱(GZX-9070MBE，上海博讯，中国)：超高效液相色谱(1290，安捷伦，美国)：扫描电镜(SU8000，日立，日本);TOC测定仪(Muli N/C 2100s，耶拿，德国)：X射线粉末衍射仪(RigakuD/max-2000，理学，日本)，Feso，-7H20FeCl，-6H，0.NaOH、吡啶、浓盐酸、浓硝酸、叔丁醇、无水亚硫酸钠均购自天津市科密欧化学试剂有限公司，以上试剂均为分析纯试剂。实验用水为超纯水，粉末活性炭为商售煤质基活性炭。
1.2 实验方案及反应装置
1.2.1 磁性活性炭的制备
本实验采用碱性共沉淀法在粉末活性炭上负载四氧化三铁，制备磁性活性炭，具体方法如下：首先，筛分出180-300目的粉末活性炭，然后用超纯水洗去活性炭表面的粉尘，之后放入稀释20倍的盐酸：硝酸=3：1(体积比)溶液中，并对溶液施加超声1小时。之后用超纯水冲洗粉末活性炭，洗至上清液呈中性，置活性炭于104℃烘干，备用。
称取1.39 g Fes0，.7H20与2.70 g FeCl，.
6H20置于250 mL.的烧杯中，倒入150 ml.超纯水配置Fe"：Fe"=2：1的混合溶液，加入1.46g预处理后的粉末活性炭，快速搅拌30 min，使溶液混合均匀。然后，使用恒温水浴锅控制混合溶液温度为70℃并搅拌，同时逐滴将50 ml的2M氢氧化钠溶液快速滴入混合液中，反应时间为1 h。反应完成后，用超纯水清洗复合材料，洗至上清液呈中性，将得到的沉淀在烘箱中于60℃烘干，作为磁性活性炭催化剂备用。
1.2.2 臭氧水的制备
在密封的容器中倒入超纯水，通过钛合金曝气头不断曝入臭氧。将容器放入水浴磁力搅拌器中，控制水浴温度至6℃以下，以提高臭氧的溶解度，不断搅拌水溶液，提高臭氧溶解效率。在曝气过程中，通过分光光度法不断测定臭氧水的浓度，当测定的臭氧水浓度达到实验进行所需要的浓度时停止曝气，立即进行催化臭氧氧化实验。
1.2.3 催化與氧氧化降解吡啶实验
将制备的臭氧水取500 ml.置于烧杯中，加入所需质量的吡啶与磁性活性炭，通过搅拌桨不断搅拌。
按照要求在0 min.1 min.2 min.3 min.4 min、5 min.10
min时取样，把取得的样品通过0.45微米的聚醚砜滤膜过滤去除催化剂，为了终止臭氧反应，再滴入一定量的亚硫酸钠溶液，得到的溶液作为待测样品保存。
1.3催化剂的表征方法
通过XRD分析，判断活性炭负载的磁性物质的晶体结构：通过扫描电镜分析，判断活性炭负载前后表面结构的变化：通过FTIR分析，得到活性炭表面官能团的变化。
1.4 吡啶浓度测定方法
本实验采用高效液相色谱法来检测吡啶的浓度，本实验中应用的是安捷伦液相色谱，色谱柱为C18色谱柱，色谱仪的流动相采用的是乙腊和水，比例为40：60，流动相的流量设定为0.2 ml/min，检测器波长为254 nm
1.5臭氧水浓度测定
臭氧水浓度测定：通过紫外分光光度法检测臭氧水的浓度，取一定体积的臭氧水注入 1 cm 的比色皿中，分光光度计的波长设定为 260 nm，测定臭氧水的吸光度，根据郎伯 - 比尔定律计算臭氧浓度，计算公式如( 1) :
2 结果与讨论
2. 1 材料的表征
2. 1. 1 XRD 分析
对材料进行了 XRD 分析，从而判断出在粉末活性炭上是否成功地负载了磁性物质。图1为磁性活性炭的XRD谱图。如图1所示，磁性活性炭在20值为30.0870，35.4380、43.0680、56.9560和62.5440处均有明显的衍射峰，图谱与四氧化三铁标准图谱的衍射峰基本一致，可以认为在粉末活性炭上成功负载上了Fe，0，
2.1.2 SEM分析
如图2所示材料的扫描电镜图，放大倍数为3 500倍，图(a)和图(b)分别代表C和C-Fe，0，从图中可以看出，未负载的粉末活性炭表面比较光滑，而负载了磁性物质的活性炭表面能明显看到许多小球状的颗粒物，这可以直观地说明负载成功。
2. 2 磁性活性炭催化臭氧降解吡啶
研究了不同磁性活性炭投加量对吡啶降解的影响，如图 3 所示。吡啶初始浓度为 8 mg /L，臭氧水浓度为 16 mg /L，催化剂投加量分别为 0 g /L、0. 05 g /L、0. 1 g /L、0. 15 g /L、0. 2 g /L 和 0. 3 g /L。如图 3所示，催化剂投加量越多，吡啶降解速度越快。在不投加催化剂的情况下，吡啶的降解速度很慢，5 min仅降解到7.13 mg/L，说明吡啶抗氧化能力强，单独臭氧体系较难有效地降解吡啶。当投加磁性活性炭作为催化剂后，吡啶在5 min可以降解到5mg/L左右，说明催化体系提高了吡啶的去除效果。
2.3 叔丁醇的影响
叔丁醇是一种羟基自由基的猝灭剂，可以捕获羟基自由基，使其不能氧化其他物质。如图4所示叔丁醇对催化臭氧化反应的影响，毗啶初始浓度为8mg/
L，臭氧水浓度为16 mg/L，催化剂投加量为0.05 g/L.
叔丁醇投加量为200 mg/L，进行了4组实验，分别为单独臭氧化反应、单独臭氧化反应投加叔丁醇、催化臭氧化反应与催化臭氧化反应投加叔丁醇。从图中可知，催化臭氧化反应最终吡啶浓度为4.46 mg/L，而投加叔丁醇后，吡啶浓度为6.22 mg/L，说明叔丁醇抑制了催化臭氧化反应，证明在毗啶降解反应中，磁性活性炭催化臭氧产生了羟基自由基。而单独臭氧化反应与反应中投加叔丁醇后，二者吡啶降解曲线相差不多，说明臭氧化反应中，没有产生羟基自由基，吡啶的降解主要是与臭氧分子直接反应造成的。
2. 4 催化臭氧化反应的矿化度
如图 5 所示臭氧化与催化臭氧化降解吡啶的TOC 去除率曲线，吡啶初始浓度为 8 mg /L，臭氧水浓度为 16 mg /L，催化剂投加量为 0. 05 g /L。从图中可以看出单独臭氧体系对 TOC 几乎没有去除作用，而吡啶却有一定程度的降解，这说明臭氧只是把吡啶降解为中间产物，并没有生成二氧化碳，矿化度很低。而催化臭氧化反应的 TOC 去除率可以达到17. 45% ，说明羟基自由基可以彻底氧化吡啶为二氧化碳，提高反应的矿化度。
2. 5 材料的磁分离性能
本实验对磁性催化剂的磁分离性能进行了探究。在 40 mL 的充满去离子水的玻璃瓶中，加入0. 1 g 的催化剂，混匀后放在磁铁上静置沉淀，分离效果如图 6 所示。由图可知，C - Fe3O4 具有很好的磁分离性能，而粉末活性炭与水的分离效果很差。
3结论
文章以粉末活性炭为载体，通过碱性共沉淀法制备了磁性活性炭。通过XRD和扫描电镜对粉末活性炭和磁性活性炭进行表征，证明活性炭上成功地负载上了四氧化三铁。以磁性活性炭为催化剂，催化臭氧降解吡啶，提高了吡啶的去除效果。
向催化体系中投加叔丁醇，发现吡啶去除效果降低，说明催化体系中有.0H的生成。对反应过程中的TOC进行了测定，发现单独臭氧化体系对TOC基本有去，而f化体系中TOC的去除率可以达到17.45%，说明.OH可以提高啶的矿化度。通过沉淀实验发现磁性活性炭具有良好的磁分离性能。
参考文献：
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[5]操家顺碳基材料在奥氧催化氧化法中的研究应用[].应用化工，2019，48(12)：2951-2956.
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[7]杨培珍，超重力强化奧氧氧化降解水中硝基苯反应动力学及机理研究[D].山西：中北大学，2019.
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