炭黑催化高錳酸鉀氧化胺類有機物的效能研究.pdf

1、炭黑是一種在相對缺氧或完全隔絕氧氣的條件下，利用含碳類原料熱解而生成的黑色粉末，具有特殊微觀結構、粒子形態(tài)及表面性狀。相比于其它常用碳材料，炭黑表面還原性強，官能團種類及數(shù)量豐富，制備成本較低。本課題以苯胺、溴胺及磺胺二甲嘧啶（SMZ）三種水環(huán)境中常見胺類有機微污染物為目標物，針對高錳酸鉀氧化胺類有機污染物反應動力學進行研究，并考察二氧化錳及炭黑對該類反應的催化效能。同時，對炭黑進行兩種預氧化處理，進一步探究炭黑催化反應的機理。

2、　　高錳酸鉀氧化苯胺、溴胺的反應速率主要受到水體pH、高錳酸鉀及目標物濃度的影響。在無催化劑的情況下，高錳酸鉀對SMZ幾乎沒有氧化能力。
　　在偏酸性條件下，原位制備的二氧化錳能夠有效催化高錳酸鉀氧化苯胺、溴胺反應，但對高錳酸鉀氧化SMZ反應幾乎沒有催化作用。二氧化錳的催化作用包括與目標物形成表面絡合物、促進高錳酸鉀參與表面絡合物的電子轉(zhuǎn)移兩部分。
　　在pH=6~9條件下，炭黑對高錳酸鉀氧化三種胺類有機物反應都有明顯的催化

3、作用，催化效能主要受到水體pH，高錳酸鉀、目標物及炭黑濃度的影響。值得注意的是，在pH=7~9條件下，催化反應速率隨反應的進行不斷下降，最后接近平衡；隨著炭黑濃度的增加，反應最終平衡時目標物的去除率不斷提高。說明在催化反應過程中，炭黑表面具有催化作用的活性位點不斷被消耗，當其濃度相對于目標物濃度不足時，反應便會出現(xiàn)平衡現(xiàn)象。
　　為進一步探究炭黑的催化機理，實驗分別對炭黑進行高錳酸鉀及臭氧預氧化處理。在pH=7、8條件下，預氧化后

4、炭黑的催化效能減弱。隨著預氧化劑濃度及預氧化時間的增加，炭黑的催化效能進一步降低，但下降速度減慢。分析可知，預氧化后炭黑表面的氧化程度增加，表面還原性位點濃度下降，在催化反應中還原高錳酸鉀產(chǎn)生二氧化錳濃度降低，對反應間接催化能力減弱。由此可知，炭黑能夠通過促進高錳酸鉀生成二氧化錳而間接催化反應。
　　但是，炭黑的催化途徑不只是間接催化。在pH=6條件下，二氧化錳對高錳酸鉀氧化SMZ反應幾乎沒有催化作用，而炭黑在相同條件下卻具有良好

5、的催化效能，說明此條件下炭黑還存在其它催化途徑。實驗發(fā)現(xiàn)，在pH=7條件下經(jīng)高錳酸鉀預氧化后的炭黑可以直接氧化降解SMZ。分析可知，炭黑還可能存在以下兩種直接催化作用：（1）炭黑通過吸附目標物，形成電子云密度更高的絡合物質(zhì)，更易被高錳酸鉀攻擊，促進了氧化反應的進行；（2）經(jīng)高錳酸鉀預氧化后炭黑表面生成了持久性碳自由基，對目標物有更強的降解能力，從而促進反應的進行。
　　本文在兩種實際水體（磨盤山濾后水、松花江水）中，針對炭黑與常用

6、催化劑碳納米管（CNTs）催化高錳酸鉀氧化SMZ反應的效能進行對比。相比人工配水，炭黑在實際水體中的催化效能在偏酸性條件下明顯下降，而在中性及偏堿性條件下并不明顯；相比人工配水，CNTs在兩種實際水體中的催化效能都明顯下降。在人工配水及實際水體中，炭黑的催化效能都高于CNTs，但隨著pH的升高，炭黑與CNTs催化效能間的差距逐漸縮小。由BET比表面積測定可知，CNTs的比表面積高于炭黑，但是炭黑的微孔結構更發(fā)達；由X射線光電子能譜(XP