臭氧催化氧化對水中氯苯甲酸去除率研究

 

        城市污水處理廠剩余污泥含碳量高且富含Fe、Mn、Cu、Zn 等金屬,通過一定程度的活化熱解處理,可將其轉化為污泥基活性炭(SAC).研究表明,SAC 不僅具有較好的吸附去除重金屬性能,還可高效催化臭氧氧化去除水中具有較高穩定性的有機污染物.因此,利用城市污泥來制備SAC 已成為污泥資源化利用的有效途徑.但目前制備的SAC多為粉末狀,在實際應用過程中存在回收困難、易造成粉塵污染等缺點,使其在環境領域的應用受到一定程度的限制.磁分離作為一種簡單高效的分離方法,可分離磁性或可磁化的吸附劑、各類載體等.因此,近年來已有學者致力于研究具有高效催化效果、成本低廉的負載型磁性催化劑.化學共沉淀鐵氧體法是負載型磁性催化劑制備的一種常用方法,具有磁性可調節、毒性低、能耗低等優點而采用鐵氧體負載的磁性催化劑在非均相催化臭氧氧化中表現出了良好的活性.因此,對SAC 進行磁性負載不僅能夠解決其分離回收問題,還有可能提高其催化臭氧氧化除污染效能.對氯苯甲酸(p-CBA)是農藥、藥物和染料的重要中間體,且難于生物降解、易在生物體內積累,易對環境和人類的健康產生危害.另一方面,p-CBA與⋅OH 自由基反應速率快(k·OH=5.2×109L/(mol·s),而與臭氧分子的反應速率很低[ko3<0.15L/(mol·s)],非常適合用來考察催化劑的催化活性.因而,在本研究中采用p-CBA 作為目標污染物.

 

        本研究將以SAC 為載體,3 種具備催化臭氧氧化效果的過渡金屬(Mn、Co、Cu)[16-18]為摻雜劑,采用化學共沉淀法分別制備不同種類過渡金屬摻雜的鐵磁污泥基活性炭(T-FMSAC,T=Mn、Co、Cu),考察過渡金屬種類及其摻雜比例對本研究所選目標物—p-CBA 降解效能的影響,以期在實現T-FMSAC 高效磁分離的前提下,還可提高其催化臭氧氧化去除有機物的效能.

 

        本實驗采用的臭氧發生器(3S-A5,北京同林科技)是以高純氧為氣源.臭氧采用液態儲備液形式注入催化反應體系中,其液態儲備液的制備方法為向-20℃的超純水體系鼓入氣態臭氧(臭氧濃度在25~32mg/L).

 

結論

1. 過渡金屬種類及其摻雜比例對于TFMSAC吸附去除p-CBA 效果影響較小,而其對T-FMSAC 催化臭氧氧化去除p-CBA 影響效果較大;100:1Mn-FMSAC 具有最佳的催化臭氧氧化去除p-CBA 效果.

2. 隨著臭氧濃度的增加,100:1Mn-FMSAC 催化臭氧氧化去除p-CBA的效率顯著增強.綜合考慮催化效果及原材料成本,當臭氧投加量為1mg/L 時,催化劑的最佳投加量為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,說明該反應體系遵循羥基自由基反應機制,經計算得到⋅OH 對p-CBA 的去除貢獻率為78.5%.

摘自：盧思穎,孫中恩,封 莉,張立秋(北京林業大學環境科學與工程學院,北京 100083)
          中國環境科學 2017,37(6)：2139~2144