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纳米钯/铁/PVDF-g-(聚)丙烯酸催化还原剂制备及其脱氯性能研究

夏至  
【摘要】:氯代有机物作为一种重要的化工原料,在被广泛应用于工业生产的各个领域的时候,也同时通过各种途径进入环境,成为危害人类健康和生态环境的难降解污染物。以零价铁为代表的高级还原技术的出现和发展,为氯代有机物脱氯去毒性提供了新的视角。相比其他的脱氯方法,零价铁廉价、无毒、无害,还原脱氯反应在常温常压下就可以进行,同时又是零碳排放的环保技术。金属钯催化剂和纳米材料技术引入都使零价铁还原体系的脱氯效率有了质的飞跃,将纳米催化还原剂固定化已经是零价铁高级还原法未来发展的主要趋势。目前膜载纳米双金属颗粒还存在很多问题:现有的PVDF载体膜改性技术有很多缺陷;对小分子含氯少的氯代有机物的去除效果不理想;对膜载双金属催化还原体系还没有系统的机理研究。本文主要研究了通过化学改性法制备新型改性PVDF膜,并用其负载纳米钯/铁双金属颗粒对氯代有机物进行脱氯。 首先采用了“碱洗脱氟”、“亲核加成”和“接枝丙烯酸”三步法对PVDF膜进行了亲水化改性,制备出PVDF-g-AA膜。通过正交试验优化了“碱洗脱氟”步骤的反应参数:KOH浓度为0.5mol/L,KMnO4质量浓度为2wt.%,温度为40oC,反应时间为15min;并通过对载铁量和一氯乙酸脱氯实验确定了接枝丙烯酸的最佳浸渍浓度为20wt.%。然后,以“碱洗脱氟”为基础,分别通过接枝法和原位聚合法,制备出两种接枝聚丙烯酸的改性膜,PVDF-g-PAA-1和PVDF-g-PAA-2。通过对载铁量和一氯乙酸脱氯实验确定了接枝聚丙烯酸制备PVDF-g-PAA-1膜的最佳浸渍浓度为30wt.%;通过正交试验优化了“原位聚合法”的反应条件:丙烯酸溶液浓度为30wt.%,BPO投加量为50mg,温度为80oC,反应时间为3h。 通过扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射图谱(XRD)、比表面积(BET)和亲水角的测定来表征和分析了基体改性过程中的PVDF膜、PVDF-g-AA膜、PVDF-g-PAA-1膜、PVDF-g-PAA-2膜以及三种改性膜负载的钯/铁双金属颗粒的表面形态、表面元素及价态分布、表面基团、比表面积和亲水性进行了表征。结果表明,通过接枝改性,三种改性膜均具备了亲水性,且亲水性的大小依次为PVDF-g-PAA-2膜 PVDF-g-PAA-1膜 PVDF-g-AA膜;钯/铁双金属颗粒负载到了改性膜上后,分散性很好,不易团聚,粒径较均匀,大约50nm。 考察了三种改性PVDF膜负载纳米钯/铁双金属颗粒的钯化率、投加量、目标污染物初始浓度、反应体系初始pH值和温度对一氯乙酸和2,4-二氯苯酚的脱氯率的影响。对于一氯乙酸的脱氯体系, Pd-Fe/PVDF-g-AA、Pd-Fe/PVDF-g-PAA-1和Pd-Fe/PVDF-g-PAA-2三种膜载催化还原剂的最佳钯化率分别为1.202wt.%、1.197wt.%和1.213wt.%;对于2,4-二氯苯酚的脱氯体系,三种膜载催化还原剂的最佳钯化率分别为0.505wt.%、0.513wt.%和0.576wt.%;当催化还原剂的钯化率小于最佳钯化率时一氯乙酸的脱氯率随着钯化率的增高而增加,钯化率大于最佳钯化率时一氯乙酸脱氯率随着钯化率的增高而减小。增加膜载还原剂的投加量可以促进脱氯反应的进行,增加目标污染物的初始浓度会降低反应体系的脱氯率,增加反应体系的温度可以提高反应体系的脱氯率和速率,与未固定的纳米钯/铁双金属颗粒相比膜载催化还原剂对氯代有机物的催化还原脱氯有较大的pH适用范围。 膜载纳米钯/铁双金属颗粒催化还原一氯乙酸和2,4-二氯苯酚的脱氯速率要远高于膜载零价铁纳米颗粒和非固定纳米钯/铁双金属颗粒。通过计算脱氯反应的活化能验证了金属钯的催化性能,零价铁腐蚀产生的氢气在金属钯的表面解离成高还原性的氢原子促进了间接还原反应的进行。同时,载体膜在反应体系中不仅仅起到了负载纳米颗粒的作用,同时通过扩大了钯/铁纳米双金属颗粒的分散度、减少了催化还原反应中纳米双金属颗粒表面的氢气过量累积等方面促进了脱氯反应的进行。三种膜载纳米钯/铁双金属颗粒中,由原位聚合法制备的PVDF-g-PAA-2膜负载纳米钯/铁双金属颗粒的催化还原效果是最好的,而且Pd-Fe/PVDF-g-PAA-2连续7次重复使用,对一氯乙酸去除率可以一直保持在90%以上。接枝聚丙烯酸的PVDF膜上的PAA对Fe2+的具有螯合作用,这既可避免铁流失对水体的二次污染,又能防止铁在水相中被氧化产生钝化层,从而降低膜载纳米钯/铁双金属颗粒失活的几率。


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