铜基非均相催化剂/过硫酸氢钾催化氧化体系的构建及反应机制研究

Because the sulphate radical has higher redox potential than hydroxyl radical, so compared to the traditional Fenton technology, the advanced oxidation technology based on the sulphate radical has unique advantages, such as stronger oxidation ability, higher mineralization degree of organic compounds. The project used potassium peroxymonosulfate as an oxidant, combined with self-made copper-based heterogeneous catalyst for the treatment of organic wastewater. Preliminary experiments have shown that copper-based heterogeneous catalyst /potassium peroxymonosulfate catalytic oxidation system has rapid reaction speed, less catalyst dosage, wide pH range, and reusable catalyst for the organic matter oxidation process. The further research will design some experimental program and adopted a series of analytical testing methods to study the construction and reaction mechanism of copper-based heterogeneous catalyst/potassium peroxymonosulfate catalytic oxidation system under ambient conditions. By the preparation of different forms of copper-based catalyst, the correlation between the catalyst structure and catalytic properties will be studied and the control parameters in the catalyst preparation process will be determined. By studying various factors of the reaction we will determine the optimal reaction conditions for the catalytic oxidation system. On this basis, we will develop some catalysts with high catalytic activity in the sulphate radical catalytic oxidation system, and explore the reaction mechanism of the system. Copper-based heterogeneous catalyst/potassium peroxymonosulfate catalytic oxidation system as an advanced oxidation technology is convenient for application and will provides an efficient solution for the treatment of organic wastewater.

硫酸根自由基具有比羟基自由基更高的氧化还原电位，相对于传统的Fenton技术，基于硫酸根自由基的高级氧化技术其氧化能力更强，对有机物矿化程度更高。本项目采用过硫酸氢钾为氧化剂，结合自制铜基非均相催化剂处理有机废水，初步实验表明铜基非均相催化剂/过硫酸氢钾催化氧化体系处理有机物具有反应速度快、pH范围宽泛、催化剂可重复利用等优点。本项目拟进一步设计实验方案并采用一系列分析测试手段，研究常温常压下铜基非均相催化剂/过硫酸氢钾催化氧化体系的构建及反应机制。通过制备不同形态的铜基催化剂，研究催化剂结构和催化性能的相关性，确定催化剂制备过程中的调控参数。研究反应中各因素的影响，优化该催化氧化体系的反应条件。在此基础上，研制出在硫酸根自由基高级氧化体系中具有高催化活性的催化剂，并探讨该体系的反应机理。铜基非均相催化剂/过硫酸氢钾催化氧化可作为一种易于实现的高级氧化技术，为处理有机废水提供高效解决途径。

通过水热法制备了氧化铜催化剂，并对其进行了XRD和SEM表征；初步考察了在PMS存在的条件下氧化铜对苯酚的催化降解效果，60min苯酚去除率为64.5%，证明其有良好的催化性能。考察了氧化铜制备条件对苯酚降解效果的影响，并选择氧化铜的制备条件为CTAB投加量0.5g，水热温度180℃和水热时间6h；考察了反应体系的反应条件对苯酚降解效果的影响，当反应条件为常温，pH=4，苯酚50ppm，PMS 1.0mM，CuO 1.25g/l时，苯酚去除率在60min达100%。通过加入MeOH和TBA，证明在反应体系中同时存在SO4·−和OH·。.通过浸渍法制备出Cu/ZSM5催化剂，对其进行进行了XRD、SEM、BET表征，并初步考察了在PMS存在的条件下催化剂对罗丹明B的降解效果，60 min罗丹明B脱色率为97.05%，证明其有良好的催化性能。并选择制备条件为负载量10%，焙烧温度300℃，时间6 h，反应条件为常温，pH=7，罗丹明B 50 mg/L，PMS 0.6 g/L，Cu/ZSM5 1.0 g/L时，60 min的罗丹明B脱色率为96.84%。.通过浸渍法制备出Cu/AC催化剂，对其进行进行了XRD、SEM、BET表征，并初步考察了在PMS存在的条件下催化剂对罗丹明B的降解效果，30 min罗丹明B脱色率为99.8%，证明其有良好的催化性能。进一步优化制备条件和反应条件，并选择制备条件为负载量10%，焙烧温度400℃，焙烧时间4 h，反应条件为常温，pH=7，罗丹明B 50 mg/L，PMS 0.9 g/L，Cu/AC 0.2 g/L时，30 min的罗丹明B脱色率为98.2%，铜溶出量为0.089 mg/L，占活性组分用量的0.445%。. 通过高锰酸钾水热法制备了纤维状催化剂α-MnO2，并进行了XRD和SEM表征。初步考察了其对PMS的催化效果，实验结果表明，10min时苯酚降解率即达100%，具有非常好的催化活性。通过研究水热法α-MnO2制备条件对催化活性的影响，最佳制备条件为水热温度160℃，时间6h。反应条件为室温下pH=7，苯酚浓度50mg/L，PMS浓度0.65mM，α-MnO2浓度0.25g/L时，苯酚在60min可以完全降解。初步确定反应体系中存在SO4·−和OH·。催化剂重复使用4次，催化效果下降幅度小于7%，性能稳定。