Co(Ⅱ)-BiOCl@生物炭光催化降解酚类污染物的效能及机制

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酚类污染物在自来水、地下水、地表水,尤其是煤化工废水中均能检测到,由于其自身的毒性对人们生产生活带来了一定的影响。但鉴于传统处理技术的局限性,针对水体中具有不同取代基酚类污染物,尤其是难降解酚类污染物的降解依然是水环境领域研究的热点。紫外光由于其高能量、易操作、效率高等优点,导致基于紫外光辐照的光催化氧化技术备受研究者们的关注。但针对具有不同取代基酚类污染物在紫外光照射下降解机理的基础性研究仍然匮乏。本论文以发射254 nm主波长紫外光(UV)和发射185 nm和254 nm混合波长的真空紫外光(VUV)为光源,对比研究其对具有不同取代基酚类污染物的光解规律。以污泥生物炭和钴金属修饰制备一种改性氯氧铋(BiOCl)催化剂,对其进行性能表征,评价其在VUV光照下的光催化性能和动力学。同时基于密度泛函理论(DFT),深入探究具有不同取代基酚类污染物的反应特性及其在VUV照射下的降解机理。以UV和VUV为紫外光源,考察紫外光辐照度在不同介质中的变化规律,探究对具有不同取代基酚类污染物的光解效能及动力学。以苯酚、邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚和对硝基苯酚(PNP)作为不同取代基酚类污染物,五种酚类污染物在UV照射下的光解率分别为36.0%、38.3%、37.0%、39.1%和14.1%,平均反应速率常数为0.042 min-1。而在VUV照射下的光解率分别为95.8%、96.9%、96.0%、97.8%和90.1%,平均反应速率常数为0.340 min-1。相同浓度下,双酚A(BPA)在VUV下照射90 min的光解率为53.2%,比PNP的光解率低了34.1%;在UV照射下的光解率为29.4%,比PNP的光解率低了49.1%。酚类污染物在VUV照射下的光解效能要优于在UV照射下的光解效能,且带给电子基团的酚类污染物在紫外光照射下的光解效能要优于带吸电子基团的紫外光解效能,优于具有超共轭体系的紫外光解效能。水质越复杂,酚类污染物在紫外光照射下的光解效能越差。对天然水体而言,腐殖酸中的羧基是抑制酚类污染物光解效能的主要基团,酚羟基次之。以污泥生物炭负载和钴金属掺杂为修饰手段,采用一步水热法制备一种改性BiOCl催化剂,解决带吸电子基团或具有超共轭体系的酚类污染物在VUV照射下光解效能差的问题。当污泥生物炭与BiOCl质量比为30%、钴金属掺杂量为5%、不调节溶液p H值条件下,投加0.4 g/L催化剂,对20 mg/L PNP和BPA在VUV照射90 min,降解率可达98.2%和87.3%。循环五次后,对PNP的降解率达85%以上。表明制备催化剂具有较好的循环稳定性。为探究具有不同取代基酚类污染物的反应特性及其在VUV光催化下的降解机制,采用DFT理论量化计算深入剖析。结果表明,给电子基团的存在会使酚类污染物的HOMO,I,μ和ω绝对值降低。苯酚、邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚、PNP和BPA的键解离能值(BDE)分别为90.71 kcal/mol、84.71 kcal/mol、90.42 kcal/mol、84.02 kcal/mol、97.03 kcal/mol和397.97 kcal/mol。其中酚类污染物反应速率常数与BDE的关系为k(28)1.2209-0.0118BDE(10)2.2?10-5BDE2,可为后期污染物去除技术的选择提供参考。苯酚、对苯二酚和PNP在VUV照射下的降解主要是光激发、·OH亲电加成、分子重排和开环反应。苯酚的降解路径主要是路径D,降解至易开环产物所需总能量为10.02 e V。路径C在对苯二酚降解过程中占据主导作用,降解至易开环产物所需总能量为8.4 e V。路径F在PNP降解过程中占据主导作用,降解至易开环产物所需平均总能量为11.40 e V。发生在BPA环A中C6原子上的·OH亲电加成反应是主要反应路径,所需总能量为2.84 e V。BPA只对254 nm光有吸收,能使其前三个能级被激发,其电子跃迁特征为从氧原子到苯环的n→π*以及苯环中的π→π*局域激发。此外,BPA光解至易开环产物所需总能量为4.86 e V。而Co(Ⅱ)-BiOCl@生物炭在VUV照射下,185 nm波长光被水分子吸收产生·OH。254 nm波长光,一部分被污染物吸收直接光解或产生e-aq,另一部分激发BiOCl,产生·OH、e-、h+和·O2-共同作用于污染物的降解。本文的研究成果能够丰富水体中不同取代基酚类污染物的光降解规律及降解机理,对于水体中酚类污染物的去除具有重要的理论研究意义。
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