臭氧催化氧化对水中氯苯甲酸去除率研究

 

        城市污水处理厂剩余污泥含碳量高且富含Fe、Mn、Cu、Zn 等金属,通过一定程度的活化热解处理,可将其转化为污泥基活性炭(SAC).研究表明,SAC 不仅具有较好的吸附去除重金属性能,还可高效催化臭氧氧化去除水中具有较高稳定性的有机污染物.因此,利用城市污泥来制备SAC 已成为污泥资源化利用的有效途径.但目前制备的SAC多为粉末状,在实际应用过程中存在回收困难、易造成粉尘污染等缺点,使其在环境领域的应用受到一定程度的限制.磁分离作为一种简单高效的分离方法,可分离磁性或可磁化的吸附剂、各类载体等.因此,近年来已有学者致力于研究具有高效催化效果、成本低廉的负载型磁性催化剂.化学共沉淀铁氧体法是负载型磁性催化剂制备的一种常用方法,具有磁性可调节、毒性低、能耗低等优点而采用铁氧体负载的磁性催化剂在非均相催化臭氧氧化中表现出了良好的活性.因此,对SAC 进行磁性负载不仅能够解决其分离回收问题,还有可能提高其催化臭氧氧化除污染效能.对氯苯甲酸(p-CBA)是农药、药物和染料的重要中间体,且难于生物降解、易在生物体内积累,易对环境和人类的健康产生危害.另一方面,p-CBA与⋅OH 自由基反应速率快(k·OH=5.2×109L/(mol·s),而与臭氧分子的反应速率很低[ko3<0.15L/(mol·s)],非常适合用来考察催化剂的催化活性.因而,在本研究中采用p-CBA 作为目标污染物.

 

        本研究将以SAC 为载体,3 种具备催化臭氧氧化效果的过渡金属(Mn、Co、Cu)[16-18]为掺杂剂,采用化学共沉淀法分别制备不同种类过渡金属掺杂的铁磁污泥基活性炭(T-FMSAC,T=Mn、Co、Cu),考察过渡金属种类及其掺杂比例对本研究所选目标物—p-CBA 降解效能的影响,以期在实现T-FMSAC 高效磁分离的前提下,还可提高其催化臭氧氧化去除有机物的效能.

 

        本实验采用的臭氧发生器(3S-A5,北京同林科技)是以高纯氧为气源.臭氧采用液态储备液形式注入催化反应体系中,其液态储备液的制备方法为向-20℃的超纯水体系鼓入气态臭氧(臭氧浓度在25~32mg/L).

 

结论

1. 过渡金属种类及其掺杂比例对于TFMSAC吸附去除p-CBA 效果影响较小,而其对T-FMSAC 催化臭氧氧化去除p-CBA 影响效果较大;100:1Mn-FMSAC 具有 很佳的催化臭氧氧化去除p-CBA 效果.

2. 随着臭氧浓度的增加,100:1Mn-FMSAC 催化臭氧氧化去除p-CBA的效率显著增强.综合考虑催化效果及原材料成本,当臭氧投加量为1mg/L 时,催化剂的 很佳投加量为40mg/L.

3. 叔丁醇的加入在很大程度上抑制了100:1Mn-FMSAC催化臭氧氧化去除p-CBA的效能,说明该反应体系遵循羟基自由基反应机制,经计算得到⋅OH 对p-CBA 的去除贡献率为78.5%.

摘自：卢思颖,孙中恩,封 莉,张立秋(北京林业大学环境科学与工程学院,北京 100083)
          中国环境科学 2017,37(6)：2139~2144