核殼型磁性納米材料的表面構築及其催化淨水機理研究

《核殼型磁性納米材料的表面構築及其催化淨水機理研究》是依託河北師範大學，由邢勝濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：核殼型磁性納米材料的表面構築及其催化淨水機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：邢勝濤
• 依託單位：河北師範大學

項目摘要

針對水中難降解有機物的去除和多相催化淨水技術的發展瓶頸問題，本項目提出研製核殼型磁性納米臭氧催化劑，通過多組分外殼的有效構築提高催化劑的活性和穩定性，重點處理水中的難降解有機物（有機氯農藥類），研究污染物的降解途徑、礦化率以及催化劑在反應過程中表面性質和吸附物種的變化，並準確識別反應涉及的活性物種，著重分析污染物在固液界面的吸附降解過程，揭示催化劑表面與污染物及其降解產物的相互作用規律，闡明其微界面催化反應機理，為高效催化淨水材料的研製和反應工藝的最佳化提供理論依據。在此基礎上，篩選性能最佳的催化劑並建立多相催化臭氧化水處理反應器，研究污染物降解動力學，確定最佳工藝參數，為水中難降解有機物的去除提供技術支持。

結題摘要

針對水中難降解有機物的去除和多相催化淨水技術的發展瓶頸問題，本項目通過氧化沉澱法製備了一系列核殼磁性納米材料和複合金屬氧化物，對材料的結構形態、元素組成和表面性質進行表征分析，並探討了材料的合成機理。所製備的材料均有明顯的層級核殼結構，外殼為非晶態複合金屬氧化物。通過控制前驅體離子的吸附和晶體的生長速率可以有效調控材料外殼的組成，從而調控其表面性質。外殼中錳、鈷氧化物含量增多，其表面電負性明顯增強，而鐵氧化物含量的增加則能提高其電正性。對比研究不同核殼材料對水中有機污染物的吸附和催化性能，發現鐵錳鈷氧化物為外殼的材料對水中污染物具有最好的催化臭氧化效果，能夠促進O3 分解生成羥基自由基，從而提高對污染物的降解率和礦化率。通過分析催化劑反應過程中表面性質的變化並結合自由基捕獲和產物分析結果，研究了污染物在固液界面的吸附降解機理，發現催化劑表面電負性增強，有利於臭氧分子的吸附和分解，但不利於有機中間產物小分子羧酸的吸附，污染物的降解機理包括：臭氧分子吸附到催化劑的電負性或酸性表面，然後被變價金屬氧化物分解生成羥基自由基；污染物被溶液中的臭氧和自由基氧化分解生成小分子羧酸，羧酸陰離子吸附到催化劑電正性表面，最後被催化劑表面產生的羥基自由基氧化分解。鐵錳鈷複合金屬氧化物由於具有合適的比表面積和表面電負性，對臭氧和有機物均有較好的吸附效果，從而表現出最佳的催化活性。此外還研究了pH、污染物濃度、催化劑和臭氧投加量等條件對材料催化性能的影響，確定了最佳反應條件。最後考察了催化劑的循環使用穩定性，並對反應前後的催化劑進行表征分析，發現鐵錳鈷氧化物具有良好的穩定性，多次循環後仍有很好的催化活性，吸附到催化劑表面的有機物已被進一步的礦化去除。該研究為高效催化淨水材料的研製和反應工藝的最佳化提供理論依據，並為水中難降解有機物的去除提供技術支持。