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基于聚吡咯材料电动修复Cr(Ⅵ)污染土壤及催化PMS降解四环素的研究

王玉霞  
【摘要】:随着工业的不断发展,重金属和有机物污染问题逐渐凸显。本研究基于土壤中六价铬(Cr(Ⅵ))和水中四环素污染现状,探索经济有效的处理方法。聚吡咯是一种导电聚合物,密度小、比表面积大、疏松多孔且带有大量正电荷,是一种潜在的去除重金属和有机物的材料。本研究将吡咯(Py)氧化聚合在亚麻布上合成聚吡咯-亚麻布(PPy-LF)复合材料,作为辅助电极应用到Cr(Ⅵ)污染土壤电动修复过程中,并构建了主辅电动修复系统(EKR-PPy),验证了聚吡咯辅助电极应用到土壤电动修复的可行性,探究了铬的迁移行为及去除机理。将合成的聚吡咯(PPy)高温碳化后形成碳化聚吡咯(CPPy),用于活化过一硫酸盐(PMS)降解水中的四环素,并探究了催化活化PMS的机理以及四环素降解机理。通过不同的浓度比例(C(CTAB):C(SDBS))合成PPy-LF(PPy-LF-1、PPy-LF-2、PPy-LF-3、PPy-LF-4),对其进行形貌分析、红外表征及吸附Cr(Ⅵ)的性能研究,选择对Cr(Ⅵ)吸附量最大且电化学性能良好的PPy-LF用于后续的土壤电动修复中。发现PPy-LF-3对Cr(Ⅵ)的吸附量达到了 95.69mg/g,并且30min内Cr(Ⅵ)的去除率就达到了 93.1%,将其用于后续电动修复的辅助电极。构建的主辅电极系统包括石墨主电极和不通电的PPy辅助电极,为了探索新EKR系统中Cr(Ⅵ)去除机理,进行了持续72小时的五个EKR实验。在PPy辅助电极的存在下,沿离子迁移方向的电场分布和电流均得到改善,比较EK1(EKR,1 V/cm)和EK2(EKR+PPy,1V/cm),两个辅助电极之间的电位差从9.37 V增加到21.46 V,电流从26 mA增加到62mA,并且辅助电极周围的Cr(Ⅵ)浓度下降。这些参数的变化促进了Cr(Ⅵ)的迁移和去除,EK1和EK2迁移到阳极的Cr(Ⅵ)比例分别为20.60%和11.27%,土壤中Cr(Ⅵ)的最大去除率达到了 91.7%。PPy辅助电极与EKR结合(PPy-EKR)对Cr(Ⅵ)的去除具有积极作用,不仅可以通过影响电场的分布来加速Cr离子的迁移,而且可以吸附和还原Cr(Ⅵ)。通过原位化学氧化聚合的方法制备了 PPy,将其高温煅烧后得到CPPy,开发了一种新型的氮掺杂碳催化剂,将其用于催化活化PMS,实现了对废水中四环素的高效去除。对比了四种不同原料比例合成的CPPy对PMS的催化活性,结果表明CPPy-3(C(CTAB):C(SDBS)为3:1)表现出最佳的催化性能,详细探究了CPPy-3的投加量、PMS浓度、溶液初始pH和反应温度对催化剂活性的影响,发现利用0.1 g/L的CPPy-3催化1 g/L的PMS表现出最佳的四环素降解,在10min内对四环素的去除率达到了 92%,表观活化能为23.4 kJ/mol,且CPPy/PMS体系可以在较宽的pH范围内(2-9)高效的降解四环素。考察了水中无机阴离子对CPPy-3/PMS降解四环素的影响,发现四环素的降解效率受它们的影响较小,这有利于在实体水体中的应用。进行扫描电镜(SEM)、X射线衍射光谱(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)等一系列表征,探究材料的表面形态、结构和化学组成,结果表明成功合成了氮掺杂的碳材料,且石墨N是主要的活性位点。通过自由基掩蔽实验测定催化过程中的活性物质。基于实验结果和理论知识分析了 CPPy/PMS体系降解四环素的机理,CPPy通过非自由基途径激活了 PMS,CPPy作为电子中间体,有机污染物上的电子通过CPPy转移给PMS,导致PMS的分解和污染物的降解。


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