Fe3O4@ZIF-8核壳结构材料的制备、表征及E-Fenton氧化降解性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:robben11
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抗生素废水、未处理达标的印染废水排入水体,造成严重的水污染,同时使人类健康受到威胁。这些废水污染物分子较大、生物毒性高且难降解,传统的生物法对其处理效果不理想。电芬顿技术可以原位产生H2O2,进而产生可以无选择降解几乎所有污染物的羟基自由基(?OH),因此受到广泛关注。电芬顿技术的关键在于阴极材料,而价格低廉、比表面积大且产H2O2效果较好的多孔碳材料,则是阴极材料的良好选择。电芬顿反应过程中,为避免直接添加含Fe2+的溶液造成降解条件苛刻、产生铁泥等不良结果,应选择可减少铁离子流失、易于回收的固相催化剂。另外,研究发现,多孔的金属有机框架材料(MOFs)可以加速O2传递,促进两电子氧还原反应的进行。因此,本文选择Fe3O4@ZIF-8/碳气凝胶(CA)作为阴极,利用电芬顿技术对抗生素、染料等废水进行降解研究。首先,分别采用溶胶凝胶法制备碳气凝胶载体、水热法合成Fe3O4@ZIF-8催化剂,将催化剂涂覆于载体表面,制备Fe3O4@ZIF-8/CA电极。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、N2吸附-脱附曲线、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征方法对催化剂及电极的外貌形态、内部结构、组成成分等进行表征,利用电化学性能测试如循环伏安法(CV)、电化学交流阻抗(EIS)、旋转圆盘电极(RDE)等探究电极的氧还原性能。结果表明,制备的碳气凝胶具备很好的三维网状结构,孔隙率高,比表面积可达687.14cm2/g,能很好的进行两电子氧还原反应;Fe3O4@ZIF-8催化剂呈核壳结构,外壳完整均匀;Fe3O4@ZIF-8/CA电极表面催化剂负载较为均匀,且负载有750℃焙烧的催化剂电极的氧还原性能最佳。第二,将Fe3O4@ZIF-8/CA电极用作阴极,碳棒用作阳极,构建电芬顿体系考察对黄连素的降解效果,发现实验的最佳条件为5 mA/cm2的电流密度、300 mg的Fe3O4@ZIF-8催化剂负载量以及负载750℃焙烧的催化剂,采用此最佳条件进行降解时,120 min内黄连素的降解率可以达到95.1%;同时,电极的稳定性较好,重复使用3次后的电极的降解率仍能达到80%以上;利用高效液相-质谱联用仪(LC-MS)检测到m/z分别为336.12、198.12、114.09三种黄连素降解中间产物,提出可能的中间产物产生途径;为探究反应机理,用硫酸氧钛分光光度法测定了CA的H2O2产量,发现120 min内产量可达134 mg/L,采用EPR检测到峰强比为1:2:2:1的?OH特征峰,推断反应主要是?OH来攻击黄连素分子,从而提出主要的降解途径。最后,本文还运用该电极进行罗丹明B的降解实验,发现实验的最佳条件为pH=7、电流密度为6 mA/cm2、负载量为200 mg、催化剂焙烧温度为750℃,在此最佳条件下,60 min内罗丹明B的脱色率可以达到95.7%;电极稳定性测试表明,该电极降解罗丹明B废水的稳定性很好,循环使用3次后,脱色率仍可达到91%;利用EPR测试反应过程的样品,检测到?OH,简要进行机理探究,但内容不够完善,机理有待进一步探究。
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