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        四硫化三鐵-活性炭過濾棉復(fù)合催化劑的制備及其在芬頓反應(yīng)中的應(yīng)用

        2021-09-01 02:45:22李昌勝安俊健
        天津造紙 2021年1期
        關(guān)鍵詞:活性炭表面積甲基

        李昌勝,劉 忠,安俊健

        (1.中國輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點實驗室,天津市制漿造紙重點實驗室,天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,天津300457;2.湖北工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院,武漢430068)

        制漿造紙廢水深度處理技術(shù)的發(fā)展是多元化的,主要以吸附處理、混凝處理、膜分離處理、生化處理、高級氧化處理及其組合處理法等為主[1]。

        高級氧化處理中的非均相Fenton技術(shù)在對難降解有機物的降解處理中表現(xiàn)優(yōu)異,該技術(shù)是指使用固相含鐵材料作為Fenton試劑來降解有機污染物,因為催化過程主要發(fā)生在固-液兩相界面。反應(yīng)系統(tǒng)中對亞鐵離子濃度的要求很低,這樣可以避免產(chǎn)生鐵泥。合適的非均相Fenton試劑還可以在中性條件下實現(xiàn)對污染物的有效降解。目前,用于非均相Fenton試劑的材料主要包括氧化鐵、羥基氧化鐵、硫化鐵和鐵離子負載材料等。鐵是一種天然豐度為四的過渡金屬元素。利用環(huán)境友好的鐵基材料作為異相Fenton試劑高效降解有機污染物是目前水污染控制技術(shù)的研究熱點[2]。

        活性炭具有較大的比表面積、高孔隙率、良好的物理和化學(xué)性質(zhì),以及發(fā)達的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。其對分子有很強的吸附能力,是水處理領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的吸附劑[3]。廉價的農(nóng)林廢棄物料如果殼(包括椰殼、核桃殼、杏殼、稻殼),農(nóng)作物秸稈,活性污泥及家禽廢棄物等為原料制備的生物質(zhì)活性炭與傳統(tǒng)的煤制備活性炭相比,原料來源豐富,價格低廉,得到的活性炭產(chǎn)品純度高,比表面積大,吸附性能好[4-5]。

        造紙廢水中殘留的有機物組分復(fù)雜,含有芳香族化合物、羧酸類、醇類、酚類等物質(zhì),使得造紙廢水難降解[6-7]。甲基橙常被用于代替有機組分進行實驗,其以陽離子狀態(tài)溶解于水中并變?yōu)樗嵝?,為橙紅色鱗狀晶體或粉末,微溶于水,相對可溶于熱水,不溶于乙醇,是常用的測量指示劑。甲基橙的變色范圍是,pH<3.1變紅,pH>4.4變黃,pH 3.1~4.4呈橙色。此外,由于甲基橙結(jié)構(gòu)中含有偶氮基等官能團,不易被一些傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法徹底降解[8]。

        劉葉等[9]使用活性炭單獨吸附造紙廢水時,在pH=6、活性炭投加量9.0 g/L、吸附時間60 min條件下,處理后的廢水COD值為131.9 mg/L,COD去除率為16.8%,色度去除率為46.7%。單獨使用Fenton氧化處理時,在pH=3.5、m(FeSO4·7H2O2):m(H2O2)=2:1、反應(yīng)時間30 min條件下,COD去除率為67.5%。其他條件不變,經(jīng)過活性炭預(yù)處理之后再進行Fenton氧化處理,則COD去除率為73.4%。可見,活性炭預(yù)處理后進行Fenton氧化處理的效果更好。

        本文首先利用Fe3S4作為異相Fenton試劑,研究其催化H2O2分解氧化有機污染物的過程[10],同時探究催化劑用量、H2O2用量、pH值、溫度對該反應(yīng)的影響。然后,將Fe3S4作為基礎(chǔ)催化劑,ACFC為載體,采取溶液浸漬法制備復(fù)合催化劑Fe3S4-ACFC,考察了不同條件下該復(fù)合催化劑的降解效果。

        1 實驗

        1.1 實驗原料及試劑

        硫脲(CSN2H4),分析純,阿拉丁試劑有限公司;乙二醇(C2H6O2),化學(xué)純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司;六水合三氯化鐵(FeCl·6H2O)、甲基橙(C14H14N3SO3Na),分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

        活性炭過濾纖維棉,在聚氨酯泡棉上載附粉末活性炭制成,含碳量35%~55%,文中用ACFC簡稱。

        1.2 實驗儀器

        FA2004型電子天平,上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;DF-101S型恒溫磁力攪拌器,上海科爾儀器設(shè)備有限公司;SNR-090Z型真空干燥箱,南京奧坂干燥設(shè)備廠;SK101型數(shù)顯鼓風干燥箱,上海圣科儀器設(shè)備有限公司;SHZ-D(III)型真空泵,上海子期實驗設(shè)備有限公司;TGL-16G型離心機,上海安亭科學(xué)儀器廠;YZHR型不銹鋼水熱反應(yīng)釜,北京巖征生物科技有限公司;KH3200型超聲波清洗儀,昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司;Empyrean銳影X射線衍射儀,荷蘭帕納科儀器公司;JSM-7600F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡,上海百賀儀器設(shè)備有限公司;BELSORP-miniⅡ型比表面積和孔徑分布測定儀,日本BEL公司。

        1.3 實驗方法

        1.3.1 基礎(chǔ)催化劑的制備

        分別稱取1.081 2 g FeCl3·6H2O和0.608 96 g硫脲,將兩者溶于60 mL乙二醇與20 mL去離子水的混合液中,磁力攪拌30 min,經(jīng)過超聲后裝入反應(yīng)釜(不銹鋼內(nèi)襯聚四氟乙烯),密封后在180℃下反應(yīng)12 h。反應(yīng)結(jié)束后,待其自然冷卻,然后在通風櫥內(nèi)進行洗滌實驗,通過離心機離心收集沉淀,分別用乙醇與去離子水各清洗3遍,得到的沉淀在真空干燥箱內(nèi)干燥6 h。最后得到Fe3S4[11]。

        1.3.2 四硫化三鐵-活性炭復(fù)合催化劑的制備

        首先稱取1.081 20 g FeCl3·6H2O和0.608 96 g硫脲,將兩者溶于60 mL乙二醇與20 mL去離子水的混合液中,在攪拌過程中加入0.5 g活性炭,超聲2 min,繼續(xù)充分攪拌30 min后裝入反應(yīng)釜(不銹鋼內(nèi)襯聚四氟乙烯),密封后在180℃下反應(yīng)12 h。反應(yīng)結(jié)束后,待其自然冷卻,在通風櫥內(nèi)進行洗滌實驗,通過離心機離心收集沉淀,分別用乙醇與去離子水各清洗3遍,得到的沉淀在真空干燥箱內(nèi)干燥6 h。最后得到催化劑Fe3S4-ACFC[12]。

        1.3.3 甲基橙降解實驗

        配制濃度為24 mg/L的甲基橙溶液用于模擬廢水。先稱取定量催化劑,再量取50 mL甲基橙溶液并移入圓底燒瓶中。向圓底燒瓶中加入一定量的復(fù)合催化劑Fe3S4-ACFC,在超聲波清洗器中超聲2 min后取出圓底燒瓶。將其放入油浴鍋中,在一定溫度下恒溫攪拌,并進行吸附過程。待達到吸附平衡后,取出第一個樣品并進行編號,使用紫外可見分光光度計在465 nm處測量其吸光度A0。加入定量H2O2后,每經(jīng)過相同的時間后就取出等量樣品進行編號,將其進行離心,取上層清液。改變催化劑用量、H2O2用量、pH值、溫度,重復(fù)實驗[13]。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 SEM表征

        活性炭過濾纖維棉(ACFC)、Fe3S4和Fe3S4-ACFC的SEM圖如圖1所示。從圖1可以看出:ACFC具有多孔結(jié)構(gòu);Fe3S4的微觀結(jié)構(gòu)為納米級片狀組裝而成的微米球,其粒徑范圍為10μm;復(fù)合催化劑Fe3S4-ACFC呈現(xiàn)出納米顆粒和多孔的混合微觀形貌,納米顆粒鑲嵌到ACFC上,在多孔結(jié)構(gòu)的表面是粒徑為5μm的Fe3S4的微米球(圖1(c))。

        圖1 AC、Fe3S4和Fe3S4-ACFC的SEM圖

        2.2 XRD表征

        圖2所示為AC和Fe3S4-ACFC的XRD譜圖。相據(jù)尖晶石相Fe3S4(JCPDS No.89-1998,空間群Fd3m,晶格常數(shù)a=b=c=0.987 6 nm)的標準衍射峰,通過分析可以確認所合成的復(fù)合催化劑是Fe3S4-ACFC。

        圖2 AC和Fe3S4-AC的XRD譜圖

        2.3 BET分析

        圖3給出了ACFC、Fe3S4和Fe3S4-ACFC在溫度為77 K時的氮氣吸附動力學(xué)曲線。BET分析表明,F(xiàn)e3S4的比表面積為0.95 m2/g;復(fù)合催化劑Fe3S4-ACFC的比表面積為13.80 m2/g,高于Fe3S4的比表面積。同時,所用載體ACFC的比表面積是42.84 m2/g(圖3(a))。該復(fù)合物相比Fe3S4大幅增加了比表面積,表明活性炭(ACFC)是一種優(yōu)秀的載體負載Fe3S4。采用Barreet-Juyner-Halenda(BJH)方法對樣品的孔徑分布進行了計算,結(jié)果見圖4。與Fe3S4相比,復(fù)合催化劑Fe3S4-ACFC含有更多的介孔(孔徑5~7 nm),這可能是造成復(fù)合物比表面積大幅增加的原因之一。

        圖3 AC、Fe3S4和Fe3S4-ACFC的氮氣吸附動力學(xué)曲線

        圖4 ACFC、Fe3S4和Fe3S4-ACFC的孔徑分布

        2.4 甲基橙標準曲線的繪制

        先配置濃度為32 mmol/L的甲基橙溶液,再分別將其濃度稀釋為28、24、20、16、12、8、4 mmol/L,通過在紫外分光光度儀上測出各濃度下的甲基橙溶液的吸光度值,繪制甲基橙的標準曲線如圖5所示。

        圖5 甲基橙標準曲線

        2.5 催化劑用量的影響

        在pH=6、甲基橙質(zhì)量濃度24 mg/L、H2O2濃度12 mmol/L的條件下,F(xiàn)e3S4-ACFC用量對甲基橙降解的影響如圖6所示。從圖6(a)中可以看出,隨著催化劑用量的增加,甲基橙溶液降解速率出現(xiàn)先增加后下降的趨勢。這是因為,初始催化劑用量的增加使得催化劑表面的反應(yīng)活性位點的數(shù)目增加,增加了羥基自由基的生成量,從而加快了甲基橙的降解。然而,過量的催化劑可能產(chǎn)生過量的·OH自由基,導(dǎo)致·OH自由基之間的反應(yīng)增加,從而使得其降解有機污染物的效率下降。因此,催化劑Fe3S4-ACFC的最佳用量為1.2 g/L,其可在3 min內(nèi)將甲基橙降解去除96.43%。

        圖6 催化劑用量對甲基橙降解的影響

        2.6 H 2O2用量影響

        在pH=6、甲基橙質(zhì)量濃度24 mg/L、催化劑用量1.2 g/L的條件下,不同H2O2用量時甲基橙溶液的降解情況如圖7所示。圖7(a)降解動力學(xué)曲線的趨勢表明該溶液在0~3 min的降解最多,隨后的降解量非常小。從圖7(b)中可以看出,3 min內(nèi)的去除率隨H2O2濃度的增加有先增加后下降的趨勢。這是因為,隨著H2O2濃度的增加,產(chǎn)生·OH自由基的數(shù)量增加,使甲基橙溶液的降解速率變大。然而,當H2O2濃度超過24 mmol/L時,H2O2的分解產(chǎn)生了過多的·OH自由基,這些自由基可能互相反應(yīng)而淬滅。另外,過高濃度的H2O2也會捕獲·OH自由基。

        圖7 不同H2O2用量時甲基橙溶液的降解情況

        2.7 pH值的影響

        在甲基橙濃度24 mg/L、催化劑用量1.2 g/L、H2O2濃度12 mmol/L的條件下,不同pH值時甲基橙的降解情況及其相應(yīng)短時間(3 min)內(nèi)的去除率如圖8所示。從圖8(a)中可以看出,隨著pH值的增加(pH 3~6),甲基橙的降解速率呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢,但總體變化不大。在不改變pH的情況下其反應(yīng)體系就是pH=6。pH=7時的降解效果也較好,僅比酸性條件下稍差一點。但是在pH=9時幾乎沒有發(fā)生反應(yīng)。這表明在酸性條件下,溶液中的H+是有利于Fenton試劑釋放·OH去增強氧化能力的,并且能抑制H2O2的分解;而在堿性條件下,H2O2會分解,從而降低了H2O2的濃度,導(dǎo)致甲基橙去除率降低??梢姡嵝詶l件有利于催化劑Fe3S4-ACFC活化H2O2反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基。隨著酸度的減弱,其產(chǎn)生羥基自由基的能力有所下降。整體上,在pH 3~7區(qū)間內(nèi),甲基橙的去除率沒有明顯變化,這表明催化劑Fe3S4-ACFC可在較寬的pH值范圍內(nèi)活化H2O2,從而產(chǎn)生羥自由基引起甲基橙的降解,這也是該催化劑相對于其他多相類Fenton催化劑的優(yōu)勢所在,與文獻[14]中的結(jié)論相符合。

        圖8 不同pH值時的甲基橙降解情況

        2.8 反應(yīng)溫度的影響

        反應(yīng)溫度對甲基橙降解的影響如圖9所示。溫度對甲基橙的去除率影響較大,溫度越高,對甲基橙的去除效果越好,即使溫度達到55℃時,F(xiàn)e3S4-ACFC也能展現(xiàn)出極好的催化活性,可能的原因是溫度升高時,分子運動速度加快,導(dǎo)致甲基橙與Fe3S4-ACFC表面的碰撞機會增加,同時也會使甲基橙的降解增加。另外,也說明了在較高溫度下(約55℃)Fe3S4-ACFC仍可以保持高活性,其具有耐高溫的性質(zhì),這個性質(zhì)在實際操作中是比較重要的。

        圖9 反應(yīng)溫度對甲基橙降解的影響

        2.9 載體、基礎(chǔ)催化劑與復(fù)合催化劑的對比

        對比復(fù)合催化劑Fe3S4-ACFC與載體ACFC和基礎(chǔ)催化劑Fe3S4的降解效果,如圖10所示。通過圖10可以看出,復(fù)合催化劑Fe3S4-ACFC的效果是最好的,說明復(fù)合催化劑的合成是成功的,有效地增強了基礎(chǔ)催化劑Fe3S4在芬頓反應(yīng)中的能力。異相Fenton催化反應(yīng)經(jīng)歷三個步驟[15]:(1)Fe位點接觸H2O2;(2)與H2O2反應(yīng)產(chǎn)生·OH;(3)·OH與有機污染物反應(yīng)。與基礎(chǔ)催化劑Fe3S4相比,復(fù)合催化劑Fe3S4-ACFC有效擴大了Fenton反應(yīng)中的Fe活性位點,因而催化效果更好。

        圖10 載體、基礎(chǔ)催化劑、復(fù)合催化劑的動力學(xué)曲線

        3 結(jié)論

        (1)Fe3S4-ACFC活化H2O2產(chǎn)生的強氧化性自由基可引起陽離子染料甲基橙的高效降解。

        (2)不同的反應(yīng)條件(催化劑用量、H2O2濃度、pH值和反應(yīng)溫度)對甲基橙的降解效果有一定的影響。其中,可在較寬的pH值范圍內(nèi)(pH 3~7)降解甲基橙是該催化劑的一個優(yōu)勢。

        (3)本實驗最優(yōu)反應(yīng)條件:甲基橙溶液質(zhì)量濃度為24 mg/L,催化劑在體系中的質(zhì)量濃度為1.2 g/L,H2O2濃度為12 mmol/L,pH為6,溫度為55℃。此最優(yōu)條件下的甲基橙的降解率可以達到98.34%。

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