负载型纳米Ni/Fe双金属对水中四氯化碳的催化还原脱氯研究

【摘要】：四氯化碳近年来在世界各地地表水与地下水中频频检出,它可能给人体带来的潜在危害也逐渐引起人们的关注。寻找一种有效的方法来处理被有机物污染的水体是十分必要的。本研究中,制备和表征了两种负载型纳米Ni/Fe双金属催化剂,并将其应用于处理水中四氯化碳的催化还原脱氯研究。考察了可能影响催化剂降解四氯化碳的因素(催化剂投加量、污染物初始浓度、反应温度和溶液初始pH等)及其反应动力学,探讨了四氯化碳催化还原脱氯的机制及四氯化碳可能的降解路径。实验主要结论如下:(1)成功地将纳米级Ni/Fe双金属分别负载在多壁碳纳米管(MWCNTs)和还原氧化石墨烯(rGO)上。通过表征发现两种载体均能很好地分散纳米颗粒,有效地防止了金属颗粒的团聚。通过实验优化了两种负载型催化剂的最佳成分含量,结果表明,将Ni/Fe双金属(Ni含量4 wt.%)分别以2:1和4:1的负载率负载到MWCNTs和rGO上能使催化剂获得较好催化活性。(2)当体系溶液呈酸性或中性时催化剂均能获得较快的反应速率,当溶液呈碱性时则在一定程度上抑制了反应的进行。并且在体系中存在Cl~-的情况下也能促进反应的进行。两种负载型催化剂均能在35 min内对15 mg/L的四氯化碳达到95%以上的降解率。(3)在所有实验体系条件下,两种负载型双金属催化剂对四氯化碳的降解均符合伪一级反应动力学,且表观反应速率常数符合Arrhenius定律,计算所得两种负载型催化剂较低的表观活化能E_a表明两种催化剂在降解过程中具有较高的催化活性。且催化剂在重复性实验中循环使用多次依旧有着较为满意的处理效果。(4)结合实验结果,研究了四氯化碳在两种还原体系中发生还原脱氯反应时各种产物的浓度变化关系,得出四氯化碳在两种体系中均先被还原成氯仿,然后氯仿进一步脱氯形成了二氯甲烷和完全脱氯产物。基于反应动力学方程和降解产物实验得出了各产物的反应速率常数,探讨了四氯化碳在两种催化体系中的降解机理,推断氯代甲烷还原的过程是由一系列以碳为中心的自由基主导的,且推断反应过程中还原性很强的原子氢(·H)是催化剂能达到高催化活性的原因。