【摘要】：染料廢水的處理是工業(yè)廢水處理領域的難題之一。使用過硫酸鹽氧化處理染料是一種有效的處理方式,具有處理速度快和礦化度好等優(yōu)點。本研究采用自主合成的氮摻雜碳納米孔材料作為非金屬催化劑,催化過硫酸鹽對目標染料——直接紅23(DR23)的氧化。采用溶膠-凝膠法,選用較廉價易得的磷酸、蔗糖以及六亞甲基四胺等為碳源和氮源自主合成了一種氮摻雜碳納米孔材料(NCN)。運用各種表征測試手段對材料的表觀結構進行了詳細的描述。結果顯示:材料中成功摻雜了7.21 at.%的氮元素,主要包括吡啶型氮、吡咯型氮、石墨型氮和氧化態(tài)氮等四種氮官能團,其對應含量分別為:1.86 at.%、1.01 at.%、3.50 at.%和0.86 at.%。設置對照試驗確定了氮摻雜碳納米孔材料可以有效催化過硫酸鹽(PS)氧化染料DR23。研究發(fā)現(xiàn):當NCN使用濃度為200 mg/L,PS濃度為5 mmol/L,初始DR23濃度為50μmol/L時,DR23的去除滿足一級動力學規(guī)律,一級反應速率常數(shù)為Kobs=3.36×10-2 min-1;R2=0.99,且在100 min內(nèi)可實現(xiàn)了DR23和色度的完全去除,COD的去除率達到72%。產(chǎn)物分析結果表明,DR23中的偶氮鍵可以被迅速鍛鍵,大分子的有機物污染物可以被氧化分解為小分子羧酸并最終被完全礦化為二氧化碳和水。NCN使用濃度的提高提高有助于體系中DR23的去除速度。對于含有50μmol/L DR23的染料廢水中,NCN使用濃度在50 mg/L~1000 mg/L時,材料的使用濃度與反應一級動力學常數(shù)呈線性正相關。氧化劑PS投加量的增加亦有助于DR23的去除,但是在n(PS):n(DR23)300:1時,氧化劑的投加量的進一步提高不能使DR23的去除速度有效提升,反而大大增加成本。pH對NCN催化體系的影響較大,酸性條件對NCN的催化過程更加有利。對于堿性較大(pH10)的染料廢水,提高PS的投加量是一種有效的方式。材料的回收簡單易行,過濾、洗滌和烘干即可,其平均回收率為78.4%。重復使用的材料催化活性有些許下降,但是仍可以在短時間內(nèi)完全去除DR23。自由基掩蔽實驗的結果表明,NCN催化PS氧化DR23的過程遵循非自由基途徑,即過硫酸根起到了氧化污染物的作用,而不是硫酸根自由基。結合材料結構分析,NCN良好的導電性可以通過強化電子傳遞實現(xiàn)對PS氧化DR23過程的催化。氮元素摻雜后帶來的孤獨電子對該過程有利。對比原始材料和重復使用材料中含氮官能團含量與材料對DR23氧化去除速率的關系,發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)材料中N6和N-G含量與一級動力學常數(shù)間存在著良好的線性正相關(R20.95)。這說明,N6和N-G含量的提高有利于催化劑催化效能的提高。
[Abstract]:The treatment of dye wastewater is one of the difficult problems in the field of industrial wastewater treatment. Persulfate oxidation is an effective way to treat dyes, which has the advantages of fast treatment speed and good salinity. In this study, nitrogen-doped carbon nanoporous materials were used as non-metallic catalysts to catalyze the oxidation of direct red 23 (DR23) by persulfate. A nitrogen-doped carbon nano-porous material (NCN). Was synthesized by sol-gel method using cheap and readily available phosphoric acid, sucrose and hexamethylenetetramine as carbon and nitrogen sources. The apparent structure of the material was described in detail by various characterization methods. The results showed that the nitrogen elements of 7.21 at.% were successfully doped into the materials, including pyridine nitrogen, pyrrole nitrogen, graphite-type nitrogen and oxidized nitrogen. The corresponding contents were 1.86 at.%,. 1.01 at.%,3.50 at.% and 0.86 at.%. The results showed that nitrogen-doped carbon nanoporous materials can effectively catalyze persulfate (PS) oxidation of dye DR23.. It is found that when the concentration of NCN is 200 mg/L,PS and the initial concentration of DR23 is 50 渭 mol/L, the removal of DR23 satisfies the first-order kinetic law and the first-order reaction rate constant is Kobs=3.36 脳 10-2 min-1;. The total removal of DR23 and chromaticity can be achieved within 100 min, and the removal rate of COD can reach 722%. The results of product analysis show that the azo bond in DR23 can be rapidly forged. Organic pollutants of macromolecules can be oxidized to small carboxylic acids and then completely mineralized to carbon dioxide and water. The increase of NCN concentration is helpful to the removal rate of DR23 in the system. For dye wastewater containing 50 渭 mol/L DR23, when the concentration of NCN was 50 mg/L~1000 mg/L, there was a positive linear correlation between the concentration of NCN and the first-order kinetic constant of the reaction. The increase of the amount of oxidant PS also contributes to the removal of DR23, but the further increase of the dosage of oxidant can not improve the removal rate of DR23 effectively at n (PS): n (DR23: 300: 1. On the contrary, pH has a great influence on the catalytic system of NCN, and the acidic condition is more favorable for the catalytic process of NCN. It is an effective way to increase the dosage of PS in the dye wastewater with higher alkalinity (pH10). The recovery of the material is simple, filtration, washing and drying. The average recovery is 78.4%. The catalytic activity of the reused materials decreased slightly, but the DR23. could be removed completely in a short time. The results of free radical masking experiment show that the process of DR23 oxidation by PS catalyzed by NCN follows a non-free radical pathway, that is, persulfate acts as an oxidation pollutant rather than a radical sulfate radical. Combined with the analysis of material structure, the good conductivity of NCN can be used to catalyze the DR23 oxidation process of PS by enhancing electron transfer. The solitary electrons produced by nitrogen doping are beneficial to this process. By comparing the relationship between the content of nitrogen-containing functional groups and the removal rate of DR23 in the raw and reused materials, it was found that there was a good linear positive correlation between the content of N6 and N-G and the first-order kinetic constant (R20.95). It shows that the increase of N 6 and N G content is beneficial to the improvement of catalyst catalytic efficiency.
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：X788

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本文編號：2414062