废弃物衍生的nZVI/CuO@BC活化过二硫酸盐降解TBBPA研究

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硫酸根自由基(SO4·-)高级氧化技术是一种新兴的环境治理技术,它通过过硫酸盐的活化产生强氧化性的SO4·-,能够高效地降解废水中的难降解有机污染物。在众多过硫酸盐活化方式中,过渡金属活化因为不需要额外输入能量而备受青睐。过硫酸盐活化材料是决定过渡金属活化过硫酸盐高级氧化体系性能的关键因素,因此,需要开发高活性、绿色、低成本的过硫酸盐活化材料。铁基复合材料因其高活性、低毒、成本低等优点成为了活化剂开发领域的研究热点。本文拟合成一种生物炭负载纳米零价铁(nZVI)和氧化铜(CuO)纳米复合材料(nZVI/CuO@BC)以活化过硫酸盐降解水溶液中的四溴双酚A(TBBPA)。在材料的制备中,本研究进一步尝试利用废弃物作为原料合成nZVI/CuO@BC。在这项研究中,以废铁屑、废铜浸出液和玉米秸秆等废弃物为原料,成功地制备了nZVI/CuO@BC。本文以TBBPA为目标污染物,构建nZVI/CuO@BC活化PDS体系降解TBBPA,评估体系的活化和降解性能,并探究PDS的活化机理。获得的主要结果如下:(1)通过热解经过浸渍含铜溶液后的玉米秸秆粉末合成了生物炭负载CuO复合物(CuO/BC)。通过液相还原法将nZVI负载到CuO/BC上,制备出nZVI/CuO@BC纳米复合材料。采用XRD、BET、FTIR、SEM、TEM等手段对nZVI/CuO@BC的表面形貌和结构特征进行表征。研究发现nZVI/CuO@BC具有较大比表面面积;nZVI/CuO@BC表面含有丰富的含氧官能团;nZVI和CuO颗粒均匀地负载在BC上,颗粒尺寸均为纳米级。(2)通过不同反应体系下PDS的活化效率和TBBPA的降解表现,评估nZVI/CuO@BC的活化性能和nZVI/CuO@BC-PDS体系的TBBPA降解性能。结果表明:nZVI/CuO@BC对PDS的活化效率高达86.32%,nZVI/CuO@BC对PDS具有优异的活化性能;在nZVI/CuO@BC投加量为100mg/L、PDS浓度为0.2mM、初始pH值为8.0和反应温度为25°C的条件下,nZVI/CuO@BC-PDS体系可以在45分钟内降解98.46%的四溴双酚A。(3)考察了nZVI/CuO@BC投加量、PDS浓度、初始pH值、反应温度及4种天然水体中常见的无机阴离子和腐殖酸(HA)对nZVI/CuO@BC-PDS体系降解TBBPA的影响。结果表明:在一定范围内,nZVI/CuO@BC投加量和PDS浓度增加,TBBPA降解效率提高,过量的nZVI/CuO@BC投加量和PDS浓度不利于TBBPA的降解;在碱性范围内,增大初始pH值,TBBPA降解效率下降;反应温度对TBBPA降解有显著影响,提高反应温度,TBBPA降解效率大大增加;当反应体系中加入无机阴离子和HA时,TBBPA的降解受到不同程度的抑制,抑制强度从大到小依次为HCO3->HA>SO42->Cl->NO3-。(4)探索了nZVI/CuO@BC-PDS体系对TBBPA的脱溴与矿化效果及体系在不同反应介质中的效能稳定性。结果如下:当PDS浓度为2mM时,TBBPA的脱溴效率和矿化效率分别为79.12%和79.36%;超纯水、自来水和地表水中的TBBPA降解效率分别为98.46%、94.36%和84.61%。结果表明nZVI/CuO@BC-PDS体系对TBBPA具有很好的脱溴和矿化效果,nZVI/CuO@BC-PDS体系效能较为稳定,在实际环境修复中具有很大的应用潜力。(5)通过EPR测试、自由基猝灭实验、铁物质变化分析和XPS分析,探究了nZVI/CuO@BC-PDS体系中PDS的活化机理。分析发现:nZVI/CuO@BC活化的PDS体系中同时存在硫酸根自由基(SO4?-)和羟基自由基(?OH)两种自由基,SO4?-和?OH共同主导TBBPA的降解过程;亚铁离子(Fe2+)通过电子转移机制间接激活PDS,是激活PDS的主要活性物种;nZVI与CuO具有协同作用,共同激活PDS。
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