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鐵基金屬玻璃作為非均相類Fenton催化劑降解偶氮染料:無(wú)機(jī)陰離子的影響.

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2023-09-14  瀏覽次數(shù):2752
金屬玻璃(MGs)由于具有優(yōu)異的降解效率、選擇性、耐久性和耐腐蝕性,在污水處理領(lǐng)域是一種頗有前景的非均相類Fenton催化劑。除了有毒的污染物外,污水中通常還含有豐富的無(wú)機(jī)陰離子,例如Cl-、SO42-、NO3-和H2PO4-。諸多文獻(xiàn)報(bào)道了無(wú)機(jī)陰離子的存在會(huì)阻礙污染物的降解過程,然而關(guān)于廢水中富含的無(wú)機(jī)陰離子對(duì)MGs的影響研究較少。目前,無(wú)機(jī)陰離子對(duì)MGs降解污染物的影響機(jī)制尚不清楚。因此,在MGs的實(shí)際應(yīng)用之前,有必要探究污水處理過程中無(wú)機(jī)陰離子對(duì)MGs的影響。

日前,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的陳雙琴課題組聯(lián)合江蘇大學(xué)彭振教授在Fe-MG/H2O2體系中,通過加入無(wú)機(jī)陰離子(Cl-、SO42-、NO3-和H2PO4-)以研究其在亞甲基藍(lán)(MB)降解過程中對(duì)MGs催化性能的影響。發(fā)現(xiàn)添加SO42-和NO3-時(shí),F(xiàn)e-MG/H2O2體系對(duì)亞甲基藍(lán)保持較高的降解能力。相關(guān)研究成果以“Fe-based metallic glass as heterogeneous Fenton-like catalyst for azo dyes degradation: Effect of inorganic anions”為題在Rare Metals上發(fā)表。

研究人員通過在非均相類Fenton體系(Fe-MG/H2O2)中加入4種常見的無(wú)機(jī)陰離子(Cl-、SO42-、NO3-和H2PO4-)以研究無(wú)機(jī)陰離子對(duì)亞甲基藍(lán)(MB)降解過程中MGs催化性能的影響。結(jié)果表明,由于活性物質(zhì)減少、反應(yīng)區(qū)域減少和"共離子效應(yīng)"的共同作用,無(wú)機(jī)陰離子對(duì)Fe-MG/H2O2體系中產(chǎn)生的活性物質(zhì)的數(shù)量有很大影響。在SO42-和NO3-存在的情況下,F(xiàn)e-MG/H2O2體系對(duì)亞甲基藍(lán)保持較高的降解能力;如圖1所示,隨著無(wú)機(jī)鹽濃度的增加,亞甲基藍(lán)的特征峰強(qiáng)度(P664nm)明顯下降。從圖1e可以看出,MB溶液中加入無(wú)機(jī)陰離子會(huì)引起共同離子效應(yīng)。無(wú)機(jī)鹽的濃度越高,共離子效應(yīng)越明顯。同時(shí),添加相同濃度的無(wú)機(jī)陰離子時(shí),由NO3-引起的共離子效應(yīng)最為明顯,而由H2PO4-、Cl-和SO42-引起的共同離子效應(yīng)依次減弱。H2PO4-對(duì)活性物質(zhì)的數(shù)量沒有影響,但對(duì)亞甲基藍(lán)的降解能力有輕微的不利影響;如圖2a所示,Cl-濃度的增加對(duì)Fe-MG/H2O2降解MB有全面的抑制作用。隨著氯離子濃度從0g·L-1增加到10g·L-1,降解速率從0.231min-1急劇下降到0.030min-1。進(jìn)一步增加濃度,抑制作用達(dá)到飽和。圖2b顯示了SO42-對(duì)Fe-MG/H2O2降解MB的影響。與氯離子的抑制作用不同,在不同濃度的硫酸鹽存在下,亞甲基藍(lán)的降解曲線幾乎重合,說(shuō)明SO42-對(duì)降解過程的影響很小。與硫酸根離子類似,NO3-對(duì)Fe-MG/H2O2對(duì)MB的降解能力有輕微影響。如圖2c所示,在不同濃度的硝酸根離子存在下,降解曲線大致重疊,表明降解過程對(duì)硝酸根離子不敏感。在H2PO4-的存在下,觀察到了類似于氯離子的抑制作用。無(wú)機(jī)陰離子對(duì)降解速率和降解效率的影響分別總結(jié)在圖2e和圖2f中??梢郧宄乜吹剑砑覰O3-和SO42-時(shí),降解速率略有提高,而在加入H2PO4-和Cl-時(shí),降解速率會(huì)下降。Cl-對(duì)亞甲基藍(lán)的降解有嚴(yán)重的抑制作用。對(duì)于不含無(wú)機(jī)陰離子的Fe-MG/H2O2體系(圖3a和b),當(dāng)使用MeOH和TBA淬滅時(shí),MB的降解效率分別從97%下降到34%和37%,表明•OH在MB的分解中起著重要作用,而SO4•-可忽略不計(jì),在降解過程中起著非常弱的作用。添加FFA后,觀察到最嚴(yán)重的抑制作用,降解效率降至8%。由于FFA能淬滅1O2和•OH,因此可以推斷,除了•OH之外,1O2在MB的降解過程中也起著重要作用。利用FFA進(jìn)行淬滅后剩余的降解效應(yīng)(8%)可歸因于Fe-MG的直接還原。與FFA、MeOH和TBA相比,BQ的添加引起的抑制作用較弱,表明O2•-在降解過程中的作用較小。在加入無(wú)機(jī)陰離子(Cl-、SO42-、NO3-和H2PO4-)后,當(dāng)利用TBA淬滅•OH時(shí),降解效率分別下降到37%、39%、36%和33%。同時(shí),當(dāng)SO4•-和•OH自由基都被MeOH捕獲時(shí),降解效率分別降低到31%、33%、31%和32%。TBA和MeOH對(duì)降解過程的抑制作用幾乎相等,這表明在無(wú)機(jī)陰離子存在的情況下,•OH是Fe-MG/H2O2系統(tǒng)的主要活性基團(tuán)。當(dāng)用FFA淬滅時(shí),觀察到降解效率的最嚴(yán)重下降,表明1O2在無(wú)機(jī)陰離子存在的降解過程中也起著重要作用。當(dāng)利用BQ淬滅O2•-時(shí),觀察到Fe-MG/H2O2與Cl-、SO42-和NO3-的效率分別降低到50%、65%和61%。有趣的是,BQ在Fe-MG/H2O2/H2PO4-體系中引起顯著的淬滅效應(yīng),這表明O2•-可能在存在H2PO4-的情況下對(duì)MB的降解起著重要作用。通過淬滅實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,F(xiàn)e-MG/H2O2體系無(wú)論有無(wú)無(wú)機(jī)陰離子,伴隨著自由基(•OH和O2•-)和非自由基物種(1O2)的產(chǎn)生。然而,降解效率不同程度地降低,這表明無(wú)機(jī)陰離子的添加影響了降解過程中活性物質(zhì)的生成量。

為了驗(yàn)證淬滅實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,進(jìn)行了EPR分析,以檢測(cè)•OH、SO4•-和1O2在Fe-MG/H2O2/無(wú)機(jī)陰離子系統(tǒng)的反應(yīng)中的潛在參與。DMPO用于捕獲溶液中的•OH和SO4•-,TEMP用于捕獲1O2。如圖4所示,在含有和不含有無(wú)機(jī)鹽陰離子的Fe-MG/H2O2系統(tǒng)中,檢測(cè)到DMPO-OH的四個(gè)特征峰(1:2:2:1)和TEMPO的三個(gè)特征峰值(1:1:1),而沒有觀察到DMPO-SO4信號(hào)。這表明降解過程伴隨著•OH和1O2的產(chǎn)生,但SO4•-的缺失與淬滅實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。同時(shí),與不存在無(wú)機(jī)陰離子的Fe-MG/H2O2系統(tǒng)相比,NO3-和SO42-的加入顯著增強(qiáng)了DMPO-OH和TEMPO的信號(hào)強(qiáng)度,表明•OH和1O2的生成加速。因此,通過添加NO3-和SO42-,可以提高初始10分鐘的降解率,盡管強(qiáng)烈的“共同離子效應(yīng)”會(huì)對(duì)MB的降解產(chǎn)生不利影響。在H2PO4-存在的情況下,DMPO-OH和TEMPO的特征峰強(qiáng)度幾乎等于不存在無(wú)機(jī)陰離子溶液的強(qiáng)度,表明•OH和1O2的生成量是相當(dāng)?shù)?。加入Cl-后,DMPO-OH和TEMPO的信號(hào)強(qiáng)度下降,導(dǎo)致Fe-MG/H2O2/Cl−對(duì)MB的降解性能嚴(yán)重變差。這是由于在類芬頓體系中,•OH自由基會(huì)被Cl−消耗,產(chǎn)生較少的反應(yīng)性自由基(Cl•和Cl2•-),并降低催化性能。上述EPR結(jié)果進(jìn)一步表明,無(wú)機(jī)陰離子的加入改變了Fe-MG/H2O2體系中活性物質(zhì)的生成量,進(jìn)而顯著影響降解過程。XRD與DSC曲線證實(shí)了降解前后條帶保持非晶態(tài)。利用XPS測(cè)試進(jìn)一步了解了降解前后無(wú)機(jī)離子對(duì)Fe-MG表面化學(xué)組成和電子狀態(tài)的影響。原始條帶表面上的Fe0原子在降解后消失,這意味著在降解過程中該Fe0被氧化為Fe2+和Fe3+。同時(shí),在降解反應(yīng)后,F(xiàn)e2+的相對(duì)含量降低,并且在無(wú)機(jī)離子存在下進(jìn)一步降低。降解后,M-O鍵的強(qiáng)度顯著增加,并檢測(cè)到一些氧吸附在Fe-MG表面。未進(jìn)行降解的Fe-MG表面存在Si0態(tài)和氧化態(tài),Si0在降解后消失,這意味著Si0轉(zhuǎn)化為氧化Si。與Si類似,B0在降解后消失,這表明B的這部分被氧化。在不存在無(wú)機(jī)離子的情況下,MB降解后的Fe-MG表面呈現(xiàn)出三種不同的特征,即(1)主要反應(yīng)區(qū)域,即圓形腐蝕坑,(2)反應(yīng)區(qū)域外圍被腐蝕產(chǎn)物覆蓋的區(qū)域,以及(3)未反應(yīng)區(qū)域,也就是幾乎不參與反應(yīng)的區(qū)域。反應(yīng)區(qū)域的直徑約為10μm,它的外圍被大量沉積物覆蓋,這些沉積物應(yīng)該是沉淀的降解產(chǎn)物。如圖6a的放大SEM圖像所示,表面的沉積物致密,但圓形腐蝕坑附近有裂紋。在Cl-存在時(shí),F(xiàn)e-MG表面上主要反應(yīng)區(qū)域的數(shù)量和沉淀降解產(chǎn)物的數(shù)量減少。在SO42-的存在時(shí)(圖6c),F(xiàn)e-MG表面上主要反應(yīng)區(qū)域的數(shù)量顯著減少。在NO3-的存在時(shí)(圖6d),降解后Fe-MG表面上腐蝕產(chǎn)物和反應(yīng)區(qū)域的數(shù)量均勻分布,表明存在豐富的活性位點(diǎn)。此外,腐蝕產(chǎn)物顯示出花狀結(jié)構(gòu),這有利于MB的吸收降解過程。對(duì)于H2PO4-,降解后的帶狀物表面相對(duì)光滑,幾乎沒有腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物。結(jié)果表明,無(wú)機(jī)陰離子在Fe-MG/H2O2降解MB過程中對(duì)Fe-MG的表面形態(tài)和催化性能有顯著影響。在存在氯離子的情況下,F(xiàn)e-MG/H2O2降解期間可能會(huì)產(chǎn)生Cl•。由于Cl•親電子,它很容易被添加到有機(jī)化合物的雙鍵上,導(dǎo)致有機(jī)化合物氯化。通過添加不同濃度的Cl-(0、2、5、10、20和30g·L-1),進(jìn)行離子色譜法鑒定降解溶液中的AOX。隨著Cl-濃度從0增加到20g·L-1,AOX值從251μg·L-1逐漸增加到980μg·L-1。當(dāng)Cl-濃度升高到30g·L-1時(shí),AOX降至464μg·L-1,這可能意味著在高濃度Cl-存在下AOX的形成不一定與環(huán)境中的氯化物含量有關(guān)。

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