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MnOx基材料催化臭氧氧化酚类混合物的活性物种及机理研究
FAHEEM NAWAZ
学位类型博士
导师曹宏斌
2016-07
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业环境工程
关键词氧化锰 催化臭氧氧化 酚类混合物 活性物种 反应机理
摘要

本文合成了一系列不同形貌、价态和组成的氧化锰及氧化锰复合材料,并应用于催化臭氧氧化降解废水中酚类污染物。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、物理吸附、傅里叶红外光谱(FTIR)进行材料表征,采用高效液相色谱(HPLC)、液质(GC-MS)和总有机碳(TOC)分析污染物降解过程。采用衰减全反射傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)、循环伏安法(CV)、电子自旋共振谱(ESR)和自由基抑制实验研究了多种酚混合污染物降解过程中自由基作用及污染物取代基影响。 首先合成α, β, γ, δ, ε 和 λ六种相态的MnO2,发现α-MnO2催化4-硝基苯酚降解活性最高。催化剂表面羟基及化学吸附的水分子是催化臭氧分解产自由基的活性位,采用叔丁醇(t-BA)、对苯醌(p-BQ)和叠氮化钠(NaN3)进行自由基抑制实验,发现臭氧氧化和催化臭氧氧化过程中,主要是超氧自由基对4-硝基苯酚降解起作用,而不是羟基自由基。采用两种表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和十二烷基硫酸钠 (SDBS)合成了两种α-MnO2。采用0.2 M浓度CTAB溶液制备得介孔α-MnO2比表面积为387.7 m2/g, 并在4-硝基苯酚降解和TOC去除中显示很高活性,催化稳定性也显著高于商业购买MnO2。通过自由基抑制实验,同样发现主要是超氧自由基氧化降解4-硝基苯酚。 制备了三种不同形貌控制的MnO2,Mn2O3 和Mn3O4用于催化臭氧氧化苯酚(Ph),对氯酚(Ph-Cl)和对甲酚(Ph-CH3)。MnO2具有立方结构和大比表面积,比Mn2O3 和Mn3O4催化活性更高。在单组份溶液中,污染物降解顺序为Ph-CH3 > Ph-Cl > Ph,在三组分混合溶液中降解顺序为Ph-Cl > Ph-CH3 > Ph,表明吸电子基团和给电子基团都有利用苯酚降解。在双组分溶液中,一种酚对另一种酚降解存在不同作用,且彼此作用相反。抑制实验结果表明超氧自由基、单线态氧和臭氧分子氧化对酚降解起作用。臭氧分子和单线态氧作用顺序为Ph-CH3 > Ph > Ph-Cl,表明为亲电进攻,而超氧自由基作用顺序与此相反。 合成了介孔Fe3O4/MnO2 复合材料,用于催化臭氧氧化Ph-CH3 和Ph-Cl混合物,显示出比Fe3O4和 MnO2活性更高的耦合催化作用,主要是其介孔结构和复合组成。ATR-FTIR结果表明臭氧与水分子在Fe3O4/MnO2表面竞争吸附然后转化成羟基自由基。溶液pH影响污染物降解顺序,碱性溶液中Ph-CH3 > Ph-Cl,而中性或酸性溶液中Ph-Cl > Ph-CH3。采用GC-MS分析了Ph-CH3 和Ph-Cl混合物氧化中间产物,并提出污染物矿化成水和二氧化碳的分解路径。ESR和自由基捕获实验表明,在pH=9的溶液中,羟基自由基(主要)和臭氧分子共同作用于酚混合物氧化降解。

语种英语
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/22948
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
FAHEEM NAWAZ. MnOx基材料催化臭氧氧化酚类混合物的活性物种及机理研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2016.
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