复合FeOx/多孔SiO2干凝胶块体材料制备及其协同效应研究

Adsorption and degradation are among the main measures applied in the purification of dye contaminated waste water. In this project, we intend to synthesize silica xerogel with high surface area and large pore size via a full gelation of all reaction ingredients combined with a heating evaporation of solvent and organo-amine in the wet gel. No calcination procedure is needed. And the resultant xerogel has high reactivity and plasticity, making it easy for the preparation of bulky material using conventional ceramic forming techniques. Iron species with different morphology, microstructure and valence states (FeOx) will be formed in the composite material. The prepared material can adsorb and concentrate dye molecules via the highly porous channels in the xerogel. On the other hand, micro- or nano iron species can degrade these adsorbed dye molecules. The synergetic effect of the composited two parts will improve the purification efficiency of the composite toward dye containing waste water. The whole synthesis process will not generate new waste water. And the bulky material facilitates its application, recovery and regeneration in waste water treatment. The expected outcome of the project is to provide a totally new and green material for the purification of dye contaminated water. And the identified mechanism of the gel and pore formation, the basic for the gel powder mold pressing technique as well as synergetic effect of the porous silica and the functional iron species can provide a reference for making other similar materials.

吸附和降解废水中有机染料分子是染料废水处理的主要措施之一。项目拟通过反应组分全凝胶化，结合湿凝胶中溶剂和有机胺加热蒸发成孔机制，无需煅烧过程合成高表面积和大孔径的SiO2干凝胶。所得干凝胶粉具有较高的活性和塑性，为采用陶瓷成型工艺高效制备块体材料提供条件；在凝胶合成或块体材料制备过程中复合乙酰丙酮铁，通过控制热解在复合体中形成不同形貌、结构、价态的铁（FeOx）。多孔干凝胶基体中丰富的孔道吸附、富集废水中的染料分子，FeOx微纳米粒子降解这些染料分子，发挥二者的协同效应以提高复合材料净化染料废水的效果。材料的合成过程无新的废液排放，其块体形式有助于材料在染料废水处理中的使用、回收及再生处理，因此，项目研究结果有望为染料废水的净化提供新型绿色材料。多孔SiO2干凝胶及孔的形成机理、凝胶块体成型技术基础以及多孔SiO2与FeOx协同效应的研究结果还将为其它类似材料的研究提供有价值的参考。

染料废水是水污染的主要源头之一，其处理方法主要包括物理吸附、化学降解和生物法。项目预期为染料废水处理提供新型基于多孔SiO2凝胶的含铁块体类芬顿催化剂，以期解决液体、粉末类芬顿催化剂在使用、回收方面的技术难题。重点是从理论上研究减少化学合成凝胶过程中废液的排放、块体复合催化剂材料的制备机理及其降解废水中染料分子的过程、规律和机理。.项目的主要研究内容包括：1)以正硅酸乙酯为硅源、有机胺或有机酸为催化剂，无废液排放合成SiO2干凝胶的反应体系的组成与工艺条件的优化；2)SiO2凝胶的形成过程及凝胶固化反应体系中液体的机理；3)合成的SiO2湿凝胶中溶剂与催化剂的回收、再利用及其对合成凝胶的影响规律；4)合成SiO2干凝胶的微结构、塑性及其它物理性能的分析与表征；5)碱性体系中合成干凝胶的塑性成形技术及其参数优化；6)合成SiO2凝胶与不同铁源的复合技术、工艺参数优化及复合机理、复合体的结构、性能及其降解模拟废水中不同染料分子的过程、规律及机理。.通过实验研究，优化、确定了SiO2凝胶无废液排放合成体系的最佳组成与工艺参数，为减少湿化学法合成凝胶材料时产生的废水提供了范例。首次实现了凝胶合成用催化剂及溶剂的回收与再利用（回收率超过96%，3轮12次循环合成），为SiO2凝胶的绿色合成提供了新的途径。全面解析了不同有机胺为催化剂制备的凝胶结构，揭示了溶胶-凝胶法无废液排放合成的机理，为减少或消除凝胶材料湿化学合成中的废液排放提供理论指导。首次获得SiO2凝胶材料的压缩曲线，指出了凝胶产生塑性变形的结构与组成原因，为SiO2干凝胶及其复合材料的干压成型提供理论依据，为采用传统陶瓷的塑性成型方法快速制备块体吸附剂和催化剂，方便染料废水处理时催化剂的使用、回收与再利用创造了条件。分别在凝胶合成体系、湿凝胶和干凝胶中引入Fe(ACAC)3、Fe2O3等，成功制得含铁的凝胶复合材料，采用干凝胶与乙酰丙酮铁或Fe2O3球磨复合-干压成型-煅烧技术制备了块体吸附剂及类芬顿催化剂，多孔凝胶的孔结构对染料的吸附作用及被还原的Fe2+与H2O2构成的芬顿催化剂，二者协同对高浓度废水显示出强的净化效果和良好的可重复性。Fe/SiO2摩尔比为0.05复合材料，降解效果最佳；对1000mg/L MB溶液中MB的除去率达99.94%，TOC降低89%，其中83.09%MB被降解成CO2和H2O。