用于臭氧氧化去除水中氨氮污染物的镁基催化剂的研究
氨氮是排入自然水体最重要的污染物之一，很容易被微生物氧化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，使地表水富营养化，最终导致鱼类急性中毒，并威胁人类健康。因此，将氨氮转化为气态氮以减少水中的总氮(TN)受到了人们的广泛关注。金属氧化物催化剂对水中氨氮污染物的去除表现出了较好的催化氧化性能，但反应产物硝酸盐氮残留在水中，没有变成气态氮排放到大气中，而且大多数催化剂大都需要较为苛刻的反应条件，如高温、高压、以及较长的反应时间等，因此亟需开发一些温和反应条件的多相催化剂，以满足低成本的要求。 作为高级氧化法之一，多相臭氧氧化法去除水体中氨氮因其温和的反应条件和高实用性逐渐引起了人们的关注，其中MgO因其高活性在催化臭氧氧化水中氨氮污染物的过程中受到广泛应用。本论文采用多相催化臭氧氧化体系，从催化剂的制备入手，通过多种方法合成不同的负载型催化剂，获得适用于温和条件下催化臭氧氧化水中氨氮污染物反应的镁基催化剂。先后采用不同的载体和活性组分提高催化剂在催化臭氧氧化水中氨氮污染物反应中的催化活性和对气态氮的选择性。论文还通过多种表征手段详细研究了催化剂的结构、形貌等物理化学性质，并和催化性能相关联，探讨了催化剂在催化臭氧氧化水中氨氮污染物反应中的反应机理。论文的主要研究内容和结果如下： 1．选择用沉淀法制备的氧化镁(命名为 MgO-P)作为载体，制备了一种负载型氧化铁催化剂。探究了 FeOx/MgO-P 催化剂用于催化臭氧氧化去除水中氨氮污染物反应的催化性能，考察了氧化铁负载量及催化剂用量对催化剂性能的影响。在测定反应产物硝酸盐氮时发现部分所制备的催化剂有硝酸根残留的问题，论文针对这一问题提出了四种解决方法，其中当载体为商品氧化镁时，制备的3 wt%FeOx/MgO-P 在反应过程中没有硝酸盐氮的溶出。在后续的工作中，采用商品氧化镁作载体，排除催化剂对于氨氮催化氧化过程中硝酸盐氮浓度测定的影响。 2．在上述工作基础上，采用商品氧化镁(命名为MgO)作为载体，以过渡金属氧化物铁、钴、镍、锰、铜的相关氧化物作为活性组分，考察了双组分催化剂的催化性能及活性组分负载量对催化性能的影响。结果表明 3 wt%FeOx/MgO催化性能最优，在通入臭氧反应30 min时，氨氮去除率超过99%，对气态氮的选择性达到 54%。通过 XRD 结构表征和自由基猝灭实验，选用 3 wt%FeOx/MgO对催化臭氧氧化去除水中氨氮污染物的机理进行了探究，发现在反应过程中 MgO 表面发生了羟基化，3 wt%FeOx/MgO 用于催化臭氧氧化去除水中氨氮污染物过程中的反应机理为羟基自由基机制。 3．采用浸渍法制备了三组分负载型催化剂 MgO-FeOx/SiO2，通过改变镁物种和铁物种的负载量及浸渍顺序，探索催化剂的合成条件对 MgO-FeOx/SiO2催化臭氧氧化水中氨氮污染物的催化性能，通过一系列表征测试系统地研究了MgO-FeOx/SiO2的结构形貌，并通过自由基猝灭实验探究了反应机理。通过自由基猝灭实验发现，10 wt%MgO-3 wt%FeOx/SiO2催化臭氧氧化去除水中氨氮过程中羟基自由基机理占主导。MgO与 H2O的反应生成 Mg2+和 OH-，臭氧氧化OH-产生?OH，通过与?OH的反应，氨氮被氧化为NO3-、N2和N2O。
水污染;臭氧氧化;镁基催化剂;氨氮污染物;去除效率
吉林大学
硕士
物理化学
张文祥
2023
中文
X52;X505
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）