采用磁性Fe3O4- MnO2纳米复合材料作为催化剂类Fenton氧化水中的偶氮染料外文翻译资料

 2022-08-08 11:59:08

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

采用磁性Fe3O4- MnO2纳米复合材料作为催化剂类Fenton氧化水中的偶氮染料

摘要

为了克服MnO2在水中难分离的缺点，采用Fe3O4-MnO2核壳纳米复合材料作为非均相类Fenton催化剂去除酸性橙7。在催化剂表征的基础上，考察了所合成纳米复合材料的催化能力。结果表明，Fe3O4-MnO2核壳纳米复合材料比单独使用的Fe3O4或MnO2具有更大的催化能力。同时，催化剂用量、H2O2用量、温度、初始pH对酸性橙7的去除均有显著影响。Fe3O4-MnO2核壳纳米复合材料表现出较高的稳定性且可重复使用性。反应中生成HO·和HO2·，HO·是去除酸性橙7的主要自由基。提出了利用Fe3O4-MnO2核壳纳米复合材料催化分解H2O2产生HO·的机理。

关键词：多相催化剂 Fenton反应 核壳结构 磁分离 酸性橙7

前言

天然水体中的难降解有机物可能造成缺氧，生成水生毒素，对生物体产生其他有害影响。然而，传统的水处理工艺不能有效降解难降解有机物。必须发展高效、实用和低成本的水处理工艺，以去除难降解有机物。作为一种高级氧化工艺，非均相Fenton工艺不仅能产生羟基自由基快速氧化有机物，而且克服了均相Fenton工艺的弊端，包括产生不可处置的污泥和操作pH值范围窄。Fe3O4、Fe2O3、FeS2、Feordm;、CuO、CeO2、MnO2均被用作非均相类Fenton催化剂。MnO2由于具有比表面积大、成本低、环境友好、在中性介质中稳定性高等优点，受到了人们的强烈关注。而且，各种晶相的MnO2，包括alpha;、beta;、gamma;、delta;型，在中性条件下对类Fenton反应表现出明显的催化能力。Zhang et al.采用beta;-MnO2纳米棒作为类Fenton催化剂，在水溶液中对亚甲基蓝染料进行氧化，发现在15min内脱色率可达95%，表明beta;-MnO2具有很高的催化能力。Kim et al.研究表明，MnO2的催化能力与晶体结构密切相关，不同晶体结构的催化能力依次为gamma;-MnO2、beta;-MnO2、alpha;-MnO2、delta;-MnO2。但由于MnO2的表观密度较低，通常在水中形成超细颗粒，导致使用后难以实现固液分离。

Fe3O4对外加磁场敏感，结构均匀稳定。此外，由于Fe2 的存在，H2O2、过硫酸盐、过一硫酸盐（PMS）和O3的高活性被证实。因此，Fe3O4通常被用作复合材料的载体用于催化反应。在我们之前的工作中，我们合成了Fe3O4-MnO2核壳纳米复合材料作为PMS的活化剂用于氧化去除4-氯酚。结果表明，核壳纳米复合材料不仅能有效地活化PMS生成硫酸根自由基，而且能与外加磁场快速分离。然而，Fe3O4-MnO2纳米复合材料作为非均相Fenton催化剂的应用尚未见报道。

本研究首次将Fe3O4-MnO2核壳纳米复合材料作为类Fenton催化剂用于水溶液中酸性橙7(AO7)的降解。考察了pH、催化剂用量、氧化剂用量、温度等不同初始条件对AO7去除率的影响，并根据结果分析了催化机理。

2.实验设置

2.1.材料

实验所用化学品均为分析级。硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、高锰酸钾(KMnO4)、盐酸(HCl)、硼酸(H3BO3)、四硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)和氢氧化钠(NaOH)均来自西龙化工。(中国汕头)。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)K-30、叔丁醇(TBA)、氯仿(CHCl3)、AO7购自中药化学试剂有限公司。(中国上海)。

2.2.催化剂的合成

FeSO4·7H2O称取1.668g和1gPVP溶于100mL水中，加热至353K，加入6mLNaOH液(2mol/L)，搅拌。加入10mLKMnO4溶液(0.1mol/L)5min后，沉淀的溶液由深绿色变为深棕色。在353K下搅拌2h后，冷却至室温，然后用超纯水和乙醇交替洗涤3次。固体在真空下干燥至恒重。

2.3.催化剂的性质

扫描电子显微镜(SEM)图像由（美国FEI Nova Nano SEM 450 USA）型扫描电子显微镜获得。采用TecnaiF20透射电子显微镜(TEM)，在200kV电压下进行扫描。Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积测量采用加速比表面积测孔系统(Micrometrics ASAP 2020，USA)在77K下进行。采用振动样品磁强计(VSM JDM-13，中国)测定了样品的磁性能。

2.4.实验过程

实验在250mL锥形瓶中进行。首先，在50mL去离子水中分别加入25mLAO7原液(200mg/L)和9mL的30%H2O2溶液。用25mmol/L四硼酸缓冲液调节溶液pH值至5.5。然后，在混合液中加入一定量的超声分散催化剂，稀释至100mL。最后将锥形瓶置于303K下的空气浴摇床中，反应过程中固定时间用一次性注射器吸取一定量的溶液。用0.22mm滤膜过滤后，取0.5mL滤液加入含0.5mL乙醇的液瓶中，用于AO7的定量分析。AO7浓度采用高效液相色谱法测定(Waters2695)。溶解态Fe、Mn离子的测定在电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Agilent 7500)上进行。

3.结果和讨论

3.1.催化剂性质

在合成过程中，分别以10%(样品1)、15%(样品2)、20%(样品3)和25%(样品4)的MnO2负载量制备了4个样品。Zhao et al.(2012)证明了MnO2在纳米复合材料中附着在Fe3O4表面，形成了核壳结构的纳米片。样品3的典型SEM和TEM照片见图1。图1(a)显示Fe3O4-MnO2纳米复合材料具有均匀的板状形貌。同时，图1(b)显示M非晶态nO2附着在Fe3O4纳米片表面，形成明显的核壳结构。

测定了四种样品的BET比表面积和磁滞回线，所得结果列于表1。从结果可以看出，BET比表面积和饱和磁化强度的变化趋势与前人的研究结果相似。样品的比表面积随MnO2负载量的增加而增大，而样品的饱和磁化强度与MnO2负载量呈负相关。

图1.样本3的SEM和TEM图像。

表1.

Fe3O4-MnO2磁性纳米复合材料的物理化学性质。

MnO2负载量

BET比表面积（m2/g）

饱和磁化强度（A·m2/g）

10%

53.45

65.98

15%

77.73

59.27

20%

102.65

52.94

25%

123.74

45.32

3.2.Fe3O4-MnO2纳米复合材料的催化活性

在pH5.5、温度303K、AO7初始浓度50mg/L、催化剂用量0.6g/L、H2O2用量9mL的条件下，考察了不同反应体系对AO7的去除效果。实验结果如图2所示，其中C为AO7浓度，C0为初始AO7浓度。由图2可知，单独加入Fe3O4-MnO2纳米复合材料时，溶液中AO7浓度在120min内变化不明显，说明Fe3O4-MnO2纳米复合材料对AO7的吸附能力较弱。采用Fe3O4/H2O2反应体系时，120min后AO7浓度降至40.8mg/L，去除率为18.4%。在MnO2/H2O2反应体系中，AO7的去除效率远高于Fe3O4/H2O2体系，120min的去除率为79.2%。当Fenton催化剂改为Fe3O4-MnO2纳米复合材料时，AO7的去除效率大大提高。当反应时间为120min时，AO7浓度仅为1.6mg/L，去除率为96.8%。综合这些结果，Fe3O4-MnO2纳米复合材料的催化能力高于作为催化剂的两种单一组分，说明Fe3O4-MnO2纳米复合材料中Fe3O4与MnO2之间存在协同作用，显著增强了Fe3O4-MnO2纳米复合材料的催化能力。

图2.不同系统中AO7的退化。

3.3.Fe3O4-MnO2纳米复合材料不同MnO2负载量的优化

对于Fe3O4-MnO2核壳纳米复合材料，较高的Fe/Mn摩尔比意味着壳层MnO2的厚度较小。对于一个近中性pH条件下的H2O2催化反应，MnO2的催化能力强于Fe3O4，因此MnO2负载量较大的纳米复合材料可能具有更大的催化能力。实验合成了4种不同MnO2负载量的Fe3O4-MnO2核壳材料，并就其催化能力进行了比较。实验中催化剂用量600mg/L，H2O2用量9mL，温度303K，AO7初始浓度50mg/L，pH值为5.5。

实验结果如图3所示，由图3计算的反应速率列于表2，其中R2为相关系数。结果表明，MnO2负载量为10%时，AO7的去除效率最低。同时，随着MnO2负载量的增加，AO7的去除效率增加。当MnO2负载量从10%增加到20%时，反应速率由0.0080min-1提高到0.0265min-1，AO7去除率由59.2%提高到96.8%。但当MnO2负载量从20%增加到25%时，AO7的反应速率从0.0265min-1逐渐增加到0.0297min-1，去除率从96.8%增加到98.0%。结果表明，随着MnO2负载量的增加，Fe3O4-MnO2核壳纳米复合材料的

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[258010]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章