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铁锰催化H_2O_2、KHSO_5、KMnO_4氧化降解酚类化合物的效能与机理研究

庞素艳  
【摘要】:酚类化合物作为水环境中普遍存在的有机污染物一直是水处理领域的研究热点。过氧化氢(H_2O_2)、过一硫酸钾(KHSO_5,简称PMS)和高锰酸钾(KMnO_4)是水处理过程中最易获得的环境友好氧化剂,但它们自身的氧化能力较弱。因此,开发与这些氧化剂相关的催化技术一直以来也是国内外关注的焦点。本文研究了过渡金属铁锰催化H_2O_2、PMS和KMnO_4氧化降解酚类化合物的效能,探讨其催化反应机理,评价各催化氧化技术实际应用的可行性。 传统高级氧化技术Fenton反应(Fe(II,III)/H_2O_2)在氧化降解酚类化合物过程中存在明显的自催化现象。实验发现反应过程中产生的醌类化合物作为电子转移体可以加速Fe(III)向Fe(II)的转化,促进Fenton反应对有机物的降解。在酚类化合物降解过程中溶液颜色由无色变为褐色而后又逐渐变为浅黄色,褐色产生的主要原因是氢醌(对苯醌和对苯二酚的聚合体)的生成所引起的。活性炭(AC)也具有醌类化合物的性质,同样可以起到电子转移体的作用,加速Fe(III)向Fe(II)的转化,促进Fenton反应对有机物的降解。 利用亚砜(RMSO)与羟基自由基(·OH)和Fe(IV)反应产物的显著差别,建立了一种简单鉴别活性物种·OH和Fe(IV)的方法,称为RMSO方法。反应过程中砜(RMSO_2)的生成则表明有Fe(IV)存在;相反,甲醛(HCHO)的产生则表明活性物种为·OH。研究中利用建立的RMSO方法发现不存在络合剂时Fenton反应在pH 3~9范围内活性物种只有·OH;NTA作为络合剂时,中偏碱性pH条件下,Fenton反应的活性物种除·OH外,还有Fe(IV)存在;而其他几种常见络合剂(EDTA、草酸、柠檬酸)存在下,整个pH范围内检测到活性物种只有·OH。 Fe~0原位腐蚀过程中产生的Fenton试剂(Fe(II)/H_2O_2)具有除污染性能。实际水体的背景成分和络合剂(EDTA、NTA、草酸、柠檬酸)可以强化Fe~0/O_2体系对酚类化合物和As(III)的氧化,主要是由于酸性pH下络合剂加快了Fe(II)与H_2O_2的反应速度,减少了Fe~0表面对H_2O_2的消耗,而在中性pH下络合剂的存在则阻碍了铁的水解,使得表面发生的氧化反应转移至溶液中。·OH和Fe(IV)的捕获剂能够有效抑制酸性pH下As(III)的氧化,但在中性pH下却没有显著影响。这些实验现象表明酸性pH条件下As(III)的氧化主要发生在溶液中,而中性pH条件下As(III)的氧化则发生在Fe~0表面。 MnO_2能够催化PMS氧化降解酚类化合物,其催化机理与KMnO_4体系相似,即酚类化合物首先吸附到MnO_2表面,然后被PMS或KMnO_4氧化。Mn(II)L (L为EDTA或NTA)催化PMS氧化降解酚类化合物存在明显的自催化过程。紫外-可见光谱扫描和毛细管电泳测定发现反应过程中有稳定Mn(III)生成,由此推测自催化现象可能是由Mn(III)L引起的。Mn(III)L/PMS体系对酚类化合物的氧化降解效能明显高于Mn(II)L/PMS体系,并且没有明显的自催化现象。外加抑制剂(甲醇、叔丁醇、RMSO和RMSO_2)的实验结果表明Mn(II,III)L催化PMS氧化降解酚类化合物的活性物种可能为高活性中间态Mn(V)而并非自由基(·OH或SO_4·-),该活性物种表现出选择性氧化,易氧化甲醇和RMSO,而很难氧化叔丁醇和RMSO_2。 实际水体的背景成分和络合剂(磷酸根、焦磷酸、EDTA、NTA、草酸、腐殖酸)可以通过络合配位作用增强中间态锰的稳定性进而强化KMnO_4对酚类化合物的氧化降解。紫外-可见光谱扫描与毛细管电泳测定结果表明络合剂对KMnO_4氧化降解酚类化合物的强化作用是由原位生成的Mn(III)L引起的。异位制备的Mn(III)L(4Mn(II)L+Mn(VII)+L→5Mn(III)L)也表现出很强的氧化能力,很容易氧化降解酚类化合物,但却不能降解CBZ和RMSO,这也与络合剂能够强化KMnO_4氧化降解酚类化合物但不能强化其氧化降解CBZ和RMSO的实验现象相一致。络合剂存在下Mn(II)催化KMnO_4迅速生成Mn(III)的反应路径及Mn(III)L一电子氧化特性( Mn(III)L+e ?→Mn(II)L)表明Mn(III)/Mn(II)电对在络合剂存在下具有催化KMnO_4氧化降解酚类化合物的能力。RCT值(反应过程中生成Mn(III)浓度对时间的积分与Mn(VII)浓度对时间积分的比值)动力学模型计算结果表明Mn(III)/Mn(II)催化KMnO_4氧化降解酚类化合物过程中还可能存在其他价态高活性锰(如:Mn(V))。


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