活性炭纤维(ACF)负载金属用于吸附-干式催化氧化处理含酚废水研究

本项目针对含酚废水的组合处理技术- - 吸附-干式催化氧化法，将活性炭纤维（ACF）优异的吸附性能与金属活性组分对苯酚的催化氧化作用相结合，获得负载型双功能吸附-催化剂（M/ACF），苯酚（模型化合物）吸附和催化氧化降解在同一装置中循环进行。采用不同的催化剂制备和改性技术得到M/ACF吸附-催化剂；在对M/ACF吸附和催化氧化苯酚的活性评价基础上，利用原位动态测试技术研究吸附和催化氧化过程机理，对可能存在的催化剂失活行为进行探察并深入揭示其失活原因；在此基础上优化载体ACF和金属活性相的组合方式及反应操作条件，最终实现吸附-干式催化氧化脱酚长期循环运行的稳定性。本项目的研究将为吸附-干式催化氧化联合技术在难降解有机废水处理中的应用提供理论依据和技术支持，并将大大提高对活性炭纤维催化性能的理论认识，对这一新型炭材料在催化领域的扩大应用具有重要的理论价值和实际意义。

金属负载型颗粒活性炭（M/GAC）可用于“吸附-干法催化氧化”处理难降解含酚废水，但再生后常伴随着二次吸附能力的大幅下降。其中，吸附剂的孔结构及其传质性能对其失活具有重大影响。本项目采用传质性能优良的活性炭纤维（ACF）作为吸附剂，用于吸附-干法催化氧化处理工业废水中苯酚类污染物。主要考察了M/ACF的制备方法、金属担载量、ACF改性等因素对M/ACF的苯酚吸附能力及催化氧化活性的影响；传质对吸附过程及催化剂失活过程的作用机制；充分采集吸附剂孔结构数据和模型污染物分子尺度数据，并在消除ACF表面化学性质差异的基础上，建立了传质控制（基于空间位阻效应）下的有效吸附模型；拓展了纳米尺度金属复合炭材料的制备方法，通过静电纺丝技术制备了系列炭纳米纤维材料（Mn-CNFs和Fe-CNFs），并对其在电化学和催化领域的应用进行了拓展性的预研。研究结果表明，Cu/ACF可有效应用于苯酚的吸附-干法催化氧化循环工艺，且在一定循环次数内其稳定性相比GAC得到明显改善。不同载Cu量下Cu/ACF对苯酚的催化氧化过程反应机理明显不同：在较低载Cu量（≤3%）下，催化氧化过程产生了大量苯酚聚合物残留于Cu/ACF上；而在较高载Cu量（5%）下，吸附剂上的苯酚则基本全部被催化氧化为CO2和H2O。应用传质控制下的有效吸附模型，可有效预测亚甲基蓝（MB）在炭材料（ACF和GAC）上的吸附行为；而对苯酚和刚果红（CR）则还需考虑其分子化学键合特性及分子的柔顺性，并在此基础上对模型做出进一步的优化后，则显示了更好的预测性和适用性。本项目的实施加深了传质对吸附及催化过程作用机制的理论认识；传质控制吸附模型的提出则是对吸附理论及其研究方法的有益充实；系列炭纳米纤维（Mn-CNFs和Fe/CNFs）的拓展研究必将为纳米尺度炭纤维的制备和应用提供了更好的素材并夯实其物质基础。