Fenton及Photo-Fenton非均相体系降解有机污染物的研究进展

Fenton及photo-Fenton氧化法是一种有效的应用于环境污染物处理领域的高新氧化技术之一,对Fenton试剂的固定化可以减少铁离子的二次污染,提高催化能力和光利用率,及扩展pH等优势。本文综述了近年来Fenton及photo-Fenton非均相体系氧化降解有机污染物的研究状况。引用文献57篇。     

有毒难降解有机污染物的光催化降解

有毒难降解有机污染物的光催化降解在原理、过程和效率等方面仍然存在着巨大的挑战,特别是光催化剂的构效关系、可见光的利用、分子氧的活化和污染物分子矿化分解的机理仍然是今后的研究热点.本文就近年来在半导体光催化和负载型铁离子光催化降解有毒有机污染物的两个重要方面的研究进展进行了评述.     

可见光诱导的TiO2界面光化学过程

环境污染与防治是当前全球普遍关注的重要课题,环境恶化已成为制约我国可持续发展战略的一个重要环节,治理污染已刻不容缓,因此探索和研究经济有效的消除环境污染物的新技术和新方法具有重要的意义和应用前景.TiO2半导体光催化由于具有生物降解所无可比拟的速度快、无选择性、降解完全等优点,又在价廉、无毒、可以长期使用等方面明显优于传统的化学氧化方法,已成为国内外研究的热点.本论文主要进行了利用可见光诱导染料(或表面络合物)敏化TiO2降解有机污染物(包括染料污染物和有毒有机小分子污染物)的研究,为利用可见光或太阳光敏化半导体处理或预处理有毒有机染料污染物提供了理论基础,主要结果如下:     

纳米零价铁活化分子氧原理及降解有机污染物性能增强策略

纳米零价铁直接还原降解有机污染物运行长效性差,且不能矿化有机污染物.利用纳米零价铁还原活化分子氧生成活性氧物种可以氧化甚至矿化有机污染物.在最近的研究中,作者提出了纳米零价铁活化分子氧的双途径机理,即铁核电子转移到氧化铁壳表面的双电子还原活化分子氧途径和氧化铁表面结合态亚铁离子的单电子还原活化分子氧途径,阐释了纳米零价铁核壳结构依赖的分子氧活化降解有机污染物性能机制及性能增强策略.证实在纳米零价铁活化分子氧体系添加少量亚铁离子能在零价铁表面形成更多的结合态亚铁,显著增强纳米铁表界面活性氧物种生成量;同时,在纳米零价铁活化分子氧体系中引入少量有机或无机配体亦可提高活性氧物种产生效率,从而增强有机污染物降解性能.最后讨论了典型环境因素如pH值、共存离子、天然有机物等影响纳米零价铁活化分子氧降解有机污染物性能的规律.     

具有光增强芬顿活性的有序介孔Fe/TiO2的制备

Fenton反应能够无选择性地降解有机物,甚至能够处理一些不能被生物降解的污染物,其原理为过氧化氢(H_2O_2)和亚铁离子(Fe~(2+))在酸性溶液中生成具有强氧化性的羟基自由基(·OH),后者将有机物氧化分解.因此,Fenton反应在处理环境问题中占有重要地位.将光催化与Fenton反应结合,相比单独的Fenton反应可提高氧化矿化性能,大大加快反应速率,减少H_2O_2使用量,降低成本,拓宽反应pH范围,其协同作用主要体现在两方面:(1)光催化产生的电子加速Fe~(3+)转变成Fe~(2+),促进Fenton反应进行;(2)Fenton反应中的H_2O_2与光生电子反应降低了电子-空穴的复合率,从而提高光催化降解效率.由于协同作用的存在,污染物的降解效率大大增加.到目前为止,Fenton反应中催化剂的载体多为惰性多孔材料,如沸石、粘土、金属氧化物、介孔二氧化硅、多孔碳和sp2型石墨(石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等)等具有较大比表面积的材料.通常,增加载体的表面积有利于活性位点的分散,但是大比表面积的载体材料会削弱铁催化剂组分之间的相互作用,导致催化剂稳定性差,循环利用几次后会增加铁浸出量.因此,寻求大比表面积和高稳定性的光催化材料依然是巨大的挑战.本文首次通过蒸发诱导自组装法成功制备了Fe离子修饰的有序介孔TiO_2(FT-X),并通过XRD、BET、TEM、XPS和UV-Vis等分析手段对催化剂的结构进行了表征,同时以光芬顿降解罗丹明B反应考察了pH、污染物浓度及载体(TiO_2)结构对催化性能的影响.结果表明,由于Fe离子修饰减小了TiO_2的禁带宽度,FT复合材料具有更宽的可见光响应距离和更强的可见光吸收,在光芬顿反应过程中可以迅速转移电子,避免电子-空穴对的重组,同时加速了Fe~(3+)和Fe~(2+)的转化,显著提高了催化剂的催化性能.另外,将Fe离子原位锚定在有序介孔TiO_2的孔壁上,使FT具有规整的孔道结构和高的比表面积.与不规则多孔材料相比,一方面,该结构有利于活性位点的暴露,另一方面,有序的孔道更有利于光吸收和溶质传输.同时,Fe离子与载体之间具有较强的相互作用,可以有效地抑制反应过程中Fe离子的流失,FT-1.5样品(Fe:Ti摩尔比为1.5%)在经过5次循环测试后依然保持较高的催化活性.     

具有高效电荷分离的2D/2Dα-Fe2O3/Bi2WO6S型异质结增强光-芬顿催化活性

近年来,Fenton反应由于其成本低,反应速度快,操作简单等优势受到了广泛的研究.传统的均相Fenton反应可通过H2O2氧化Fe2+产生具有强氧化性的羟基自由基,用于处理难降解的有机物.然而,Fenton反应存在两个主要问题,首先,在Fenton反应中需要加入大量的酸来维持酸性环境,以保证反应的最佳活性.其次,Fenton反应中铁离子不断流失并形成固体污泥,这严重影响了Fenton反应产生?OH的效率.目前,将光催化反应与非均相芬顿反应相结合是改善这些问题的有效方案.非均相光芬顿反应不仅能提高有机物降解的活性,而且通过光催化剂导带上的电子有效减少Fe^3+的浸出和铁氢氧化物沉淀的产生.最近,作为一种可见光Fenton催化剂,α-Fe2O3可以在几乎中性的条件下发生光芬顿反应,这解决了在反应过程中需要随时调整PH值的问题.此外,光照条件下α-Fe2O3价带上的电子能跃迁至导带并将Fe3+还原成Fe^2+,从而减少铁离子的损耗.然而,由于光生载流子复合率较高等问题,单一α-Fe2O3光催化剂的催化活性仍不理想.构建具有2D/2D结构的S型异质结可以缩短电子在界面间的传输距离,增大材料的活性位点,将光生电子-空穴在空间上分离,从而有效增强光生载流子的分离效率.因此,构建2D/2Dα-Fe2O3/Bi2WO6 S型异质结,并用于光芬顿反应有望进一步提高对有机污染物的降解效率.本文通过简易的水热法制备了具有2D/2D结构的α-Fe2O3/Bi2WO6 S型异质结光芬顿催化剂,并通过XRD、BET、TEM、XPS和UV-Vis等手段对催化剂的晶体结构、元素状态、微观结构、光学性质和化学组分进行了表征.通过在可见光照射下降解甲基蓝(MB),考察了α-Fe2O3/Bi2WO6的光芬顿催化活性.结果表明,由于光催化反应与Fenton反应的协同作用,α-Fe2O3/Bi2WO6表现出了明显增强的光-Fenton催化活性,最佳比例的α-Fe2O3/Bi2WO6的活性分别是单一α-Fe2O3和Bi2WO6的11.06倍和3.29倍.本文将光催化反应与Fenton反应相结合,一方面,光催化反应对Fe^3+的还原有促进作用,提高了Fe2+的浓度,从而提升羟基自由基的产量;另一方面,Fenton反应对α-Fe2O3/Bi2WO6中电子的利用阻止了光生载流子的复合,进一步提高了光催化降解效率.此外,由于二维纳米片之间具有更大的接触面积,2D/2D异质结可以缩短电荷传输时间和距离,促进了光生电子-空穴的分离.同时,具有较大比表面积的2D/2D材料可以在催化剂表面提供大量用于有机物氧化分解的活性位点.而S型异质结的构建不但促进了界面电荷的转移和分离,还能维持最佳的电荷氧化还原电位,这都提升了催化剂的光芬顿催化活性.总之,本文为合成可高效降解有机污染物的非均相光-芬顿催化剂提供了新的思路.     

UV-Vis/H2O2/草酸铁络合物法在水处理中的应用

介绍了各光Fenton法的运行机理及存在的优缺点,综述了UV-Vis/H₂O₂/草酸铁络合物法在水处理中的应用状况,并对其今后的发展趋势进行了阐述.UV-Vis/H₂O₂/草酸铁络合物法是一种新的高级氧化技术,是对光Fenton法的发展,在处理高浓度难降解有机废水方面效果优于UV/Fe²⁺/H₂O₂法、UV/H₂O₂法、TiO₂法和WO₃法等,因其具有一定的利用太阳能的潜力,所以具有较好的应用前景.     

Wenliang Wang a,Wenli Zhao a,Haochun Zhang a,Xincheng Dou a,Haifeng Shi a,b,

近年来, Fenton反应由于其成本低,反应速度快,操作简单等优势受到了广泛的研究.传统的均相Fenton反应可通过H2O2氧化Fe2+产生具有强氧化性的羟基自由基,用于处理难降解的有机物.然而, Fenton反应存在两个主要问题,首先,在Fenton反应中需要加入大量的酸来维持酸性环境,以保证反应的最佳活性.其次, Fenton反应中铁离子不断流失并形成固体污泥,这严重影响了Fenton反应产生·OH的效率.目前,将光催化反应与非均相芬顿反应相结合是改善这些问题的有效方案.非均相光芬顿反应不仅能提高有机物降解的活性,而且通过光催化剂导带上的电子有效减少Fe3+的浸出和铁氢氧化物沉淀的产生.最近,作为一种可见光Fenton催化剂,α-Fe2O3可以在几乎中性的条件下发生光芬顿反应,这解决了在反应过程中需要随时调整PH值的问题.此外,光照条件下α-Fe2O3价带上的电子能跃迁至导带并将Fe3+还原成Fe2+,从而减少铁离子的损耗.然而,由于光生载流子复合率较高等问题,单一α-Fe2O3光催化剂的催化活性仍不理想.构建具有2D/2D结构的S型异质结可以缩短电子在界面间的传输距离,增大材料的活性位点,将光生电子-空穴在空间上分离,从而有效增强光生载流子的分离效率.因此,构建2D/2Dα-Fe2O3/Bi2WO6 S型异质结,并用于光芬顿反应有望进一步提高对有机污染物的降解效率.本文通过简易的水热法制备了具有2D/2D结构的α-Fe2O3/Bi2WO6 S型异质结光芬顿催化剂,并通过XRD、BET、TEM、XPS和UV-Vis等手段对催化剂的晶体结构、元素状态、微观结构、光学性质和化学组分进行了表征.通过在可见光照射下降解甲基蓝(MB),考察了α-Fe2O3/Bi2WO6的光芬顿催化活性.结果表明,由于光催化反应与Fenton反应的协同作用,α-Fe2O3/Bi2WO6表现出了明显增强的光-Fenton催化活性,最佳比例的α-Fe2O3/Bi2WO6的活性分别是单一α-Fe2O3和Bi2WO6的11.06倍和3.29倍.本文将光催化反应与Fenton反应相结合,一方面,光催化反应对Fe3+的还原有促进作用,提高了Fe2+的浓度,从而提升羟基自由基的产量;另一方面, Fenton反应对α-Fe2O3/Bi2WO6中电子的利用阻止了光生载流子的复合,进一步提高了光催化降解效率.此外,由于二维纳米片之间具有更大的接触面积, 2D/2D异质结可以缩短电荷传输时间和距离,促进了光生电子-空穴的分离.同时,具有较大比表面积的2D/2D材料可以在催化剂表面提供大量用于有机物氧化分解的活性位点.而S型异质结的构建不但促进了界面电荷的转移和分离,还能维持最佳的电荷氧化还原电位,这都提升了催化剂的光芬顿催化活性.总之,本文为合成可高效降解有机污染物的非均相光-芬顿催化剂提供了新的思路.     

非水溶性席夫碱铁疏水异相光催化降解有毒有机污染物

通过化学方法合成了疏水性金属有机复合物双（水杨醛）邻苯二胺席夫碱铁（Fe-Bis-Schiff-base- salicylaldehyde-o-Phenylenediamine,Fe-SPA）。在水溶性介质体系中,以Fe-SPA疏水特性作为异相光催化剂降解有毒有机污染物,在pH 7.2介质,可见光（λ>420nm）照射下,通过Fe-SPA活化H2O2降解有毒有机污染物罗丹明B（Rhodamine B,RhB）、亚甲基蓝（Methylene Blue trihydrate,MB）和2,4-二氯苯酚（2,4-Dichlorophenol,2,4-DCP）,研究了Fe-SPA的光催化特性。在实验条件下,反应150min RhB褪色完全,反应300min MB 褪色完全,反应10h DCP降解率达到65%。采用ESR（电子顺磁共振）跟踪测定活性氧化物种,检测到催化体系中产生了高氧化活性羟基自由基。通过RhB体系降解过程中的紫外-可见光谱和红外光谱分析,表明目标底物有效降解且最终转化为胺类和羧酸类小分子。在水溶性介质体系中,Fe-SPA以疏水特性作为异相光催化剂具有良好的稳定性,循环使用5次,光催化活性基本稳定。     

(羟基)氧化铁催化降解有机污染物的半导体反应学说初论

以(羟基)氧化铁为催化剂催化氧化降解有机污染物已经得到了广泛研究,但由于反应体系的多样性及复杂性,导致其反应机理一直存在争议,主要集中于铁氧化物半导体反应机制的存在与否。本文在总结前人工作的基础上,以不同的氧化铁催化氧化反应体系为线索,结合笔者小组的研究结果,对近年来(羟基)氧化铁催化氧化有机污染物机理的研究进展做进一步的概述和讨论,对(羟基)氧化铁催化氧化降解有机污染物中半导体反应机制的存在做了进一步的明确。