膨潤土基鐵鉍氧體的制備、機械活化及其光Fenton催化性能研究

發(fā)布時間：2020-05-05 16:15

【摘要】：印染廢水包含著許多潛在的致癌物質,具有毒性和誘變性,其顏色深,堿性大,生物降解性差,難降解,很難被傳統(tǒng)的廢水處理系統(tǒng)去除。能產(chǎn)生強氧化性的.OH的高級氧化法被證實是一種降解染料廢水的有效方法,其中Fenton氧化法因其良好的效果而得到了顯著的發(fā)展。但因均相Fenton法具有鐵離子難回收再利用,同時還造成鐵泥污染等不足而使其應用受限。為了克服這些不足,諸多學者將鐵離子、鐵氧化物等含鐵的催化活性組分固載于載體上,合成與水不溶的異相芬頓催化劑,以解決催化劑難回收再利用等問題。鐵鉍氧體因其具有狹窄的能帶隙而被認為是一種有效的可見光驅動光催化劑,而存在于它們中的鐵元素也為將它們作為異相可見光助類Fenton催化劑提供了可能。本文以廉價易得的膨潤土為載體,以鐵鉍氧體為含鐵的催化活性組分,通過溶膠-凝膠法制備了膨潤土基鐵鉍氧體異相可見光助類Fenton催化劑,以羅丹明B為目標染料污染物對其進行催化降解,以相應的去除率為主要評價指標,確定膨潤土基鐵鉍氧體催化劑的最優(yōu)制備參數(shù),最終得到最優(yōu)的催化劑一一膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化劑,通過XRD、UV-Vis DRS、BET物理吸附、TEM、SEM、EDS和PL表征分析其具有高催化性能的內因,同時進一步調查其光Fenon催化特性并提出相應的光Fenton催化機理。此外,采用機械活化的方式對膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化劑進行機械活化改性,確定機械活化該催化劑的最佳工藝條件,并對最佳機械活化條件下活化的膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化劑進行光Fenton催化特性研究,通過XRD、UV-Vis DRS、TEM以及BET物理吸附表征手段闡述機械活化提高該催化劑光Fenton催化性能的關鍵內因所在。溶膠-凝膠法合成膨潤土基鐵鉍氧體催化劑的最佳工藝條件為:MFe/MBi=1:1、MFe/mbent=5 mmol·g-1、焙燒溫度為500℃,焙燒時間為2h。該催化劑中的鐵鉍氧體晶體相的組成受MFe/MBi、MFe/mbent、焙燒溫度和焙燒時間的影響。在較低的MFe/MBi、MFe/mbent和焙燒溫度,以及較短的焙燒時間下,Bi24Fe2O_39更容易形成,而在較高的MFe/mbent條件下則BiFeO_3更容易形成。由于鉍元素的揮發(fā)性,過高的焙燒溫度則不利于形成鐵鉍氧體。此外,在最佳工藝條件下合成的膨潤土基鐵鉍氧體主要的結晶相為BiFeO_3和Bi_2Fe_4O_9,因此最佳催化劑記作膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化劑。無論是在可見光區(qū)域還是在紫外光區(qū)域,膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化劑幾乎均展現(xiàn)出了最強的光吸收,此外,擁有高的比表面積與大孔體積也是其在所有膨潤土基鐵鉍氧體催化劑中具有最高催化活性的原因。研究了膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9的催化特性及其在可見光的照射下催化光Fenton體系的機理。結果表明該催化劑由許多小顆粒聚集而成,呈現(xiàn)出絨毛狀的聚集體以及魚鱗狀的表面,功能組份BiFeO_3和Bi_2Fe_4O_9以納米量級的形式被成功負載在催化劑上。催化劑中的BiFeO_3與Bi_2Fe_4O_9之間的界面電荷轉移有效地抑制了光生e-/h+對的復合,將Bi_2Fe_4O_9引入BiFeO_3可以有效地提高BiFeO_3材料的光催化活性。該催化劑在光Fenton過程中具有極好的可重復使用性和長期穩(wěn)定性,在重復使用4次后仍能幾乎保持其原有的催化活性,每次降解完溶液中總鐵離子含量都小于0.4 mg·L-1。通過分析該催化劑在可見光下催化光Fenton體系的機理,提出了一個作用于BiFeO_3和Bi_2Fe_4O_9之間的被稱為Z體系的機制。確定機械活化膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9的最佳工藝條件為:介質填充率30%，30 mL中球為研磨介質,活化頻率為20 Hz,活化時間為30 min,球料比為30:0.5 mL·g-1。在可見光的照射下,機械活化膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化劑在光Fenton過程中具有極好的可重復使用性和長期穩(wěn)定性,重復使用4次仍能幾乎保持其原有的催化活性,每次降解完溶液中總鐵離子含量都小于0.2mg·L-1。當羅丹明B幾乎完全去除時,機械活化后膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9的反應用時比活化前的反應用時縮短了一半。機械活化過程中五個工藝條件的改變均會引起膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9催化劑中鐵鉍氧體結晶相的轉變。五個最優(yōu)值下機械活化得到的復合催化劑除了對紫外光與可見光均具有很強的光吸收能力外,還都具有小的顆粒尺寸與輕薄的顆粒結構,這也是它們呈現(xiàn)出高的光Fenton催化活性的原因。在過高頻率或者過長時間的機械作用力下對膨潤土基BiFeO_3-Bi_2Fe_4O_9進行機械活化會使催化劑過度粉末化,破壞催化劑孔道結構,使孔體積銳減,孔道崩垮,吸附和催化性能均大大下降;另外,大的大孔隙體積、比表面積和總孔體積也是造成這些最優(yōu)值下機械活化得到的復合催化劑呈現(xiàn)出高的光Fenton催化活性的原因。
【圖文】：

誘變性,不揮發(fā)性,致癌性,羅丹明