膜分离/多相Fenton-like催化氧化耦合系统的构建及其耦合特性研究

多相Fenton-like催化氧化是降解有毒有机污染物的重要高级氧化技术之一。为了增加其催化反应的效率，应用表面积较大的悬浮态超细粉体催化剂是常用手段之一，但如何使这些超细粉体催化剂无需沉淀分离而连续重复使用是这类工艺需要解决的关键科学和技术问题之一。本项目将根据现代多相Fenton-like催化的理论和膜分离的原理，构建不同的膜分离/多相Fenton-like催化氧化耦合的模型反应系统（MHF)，以解决多相Fenton-like催化降解污染物的高效率与超细粉体多相Fenton催化剂连续重复应用的矛盾。通过研究不同多相Fenton-like超细粉体催化剂的聚集行为及其与膜截留效率的关系，MHF的耦合方式和降解效率的关系，反应动力学模型， MHF中膜污染机理及其控制原理等，建立多相Fenton-like催化氧化/膜分离的耦合理论，为Fenton-like技术的发展提供出一条新思路。

解决悬浮态超细粉体Fenton-like催化剂降解污染物的高效率与其分离、连续重复使用的矛盾是这种技术广泛推广应用需要解决的关键科学和技术问题之一。膜技术与催化过程的结合是膜技术应用史上革命性的发展。它将反应和分离两个彼此独立的单元过程耦合为一个单元操作,使催化系统摆脱繁杂的反应混合物分离成为可能，已成为当今催化学科的前沿。本课题将膜分离和多相Fenton-like催化氧化技术进行耦合，解决了悬浮态超细粉体Fenton-like催化剂无需沉淀分离而连续重复使用的问题，同时能够提高多相Fenton-like催化氧化降解污染物的效率。具体研究工作和成果如下：（1） 构建了基于分子筛载铁（FeY）的膜分离/多相Fenton-like催化氧化耦合系统（MHF），研究了FeY的催化活性、MHF反应器的水动力学特性、膜截留效率、膜通量、膜污染特征以及对模拟污染物酸性橙II (AO II)的动态降解效率等。研究结果表明，它对FeY具有很高的截留分离效率，测得出水浊度均小于0.1NTU。该反应器跨膜压力小，膜通量大。1 g FeY在MHF反应器中能有效地处理80 L上述印染废水，处理量是普通Fenton-like反应器中的80倍。 （2） 通过液相合成法制备了新型的多元多相Fenton-like催化剂Fe2V4O13，构建了一种基于Fe2V4O13的陶瓷膜MHF反应器。研究结果表明自然干燥的Fe2V4O13是一种厚度小于100 nm的薄片状粉体。0.5g Fe2V4O13在MHF反应器中能有效地处理131L上述印染废水，该处理量是普通Fenton-like反应器中的131倍。（3）利用南方一种丰富的废弃多孔生物质，通过一步法制备了一种生物碳负载型Fenton-like超细粉体催化剂FeOOH-C，构建了基于这种催化剂的陶瓷膜MHF反应器。研究结果表明FeOOH的平均粒径约为7 nm，它非常均匀地分散在平均孔径约为6.51 nm、平均粒径为29.8 µm的多孔生物碳材料中，具有较高的Fenton-like 催化活性和较低Fe溶出效应。基于平均孔径为3.1µm陶瓷膜MHF反应器近似为全混流反应器，能对FeOOH-C完全截留分离，其出水浊度小于0.1NTU，无FeOOH-C渗出，FeOOH-C粉体的透水性较好，对膜的污染污染较小，膜孔阻力和膜表面沉积阻力较小，仅分别为总阻力的6.7%，2