改性生物质炭负载铁类Fenton体系降解亚甲基蓝研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0561

摘要/Abstract

摘要：

以棉花秸秆作为前驱体，用K₂CO₃活化后制备出改性生物质炭K₂CO₃@BC，置于FeSO₄溶液中形成悬浮液，干燥并煅烧，制得改性生物质炭负载铁催化剂Fe/K₂CO₃@BC。采用XRD、FT-IR、SEM等对Fe/K₂CO₃@BC进行表征，并研究其耐酸耐碱性。以亚甲基蓝作为目标污染物，将Fe/K₂CO₃@BC催化剂和H₂O₂组成非均相类Fenton体系降解水中的亚甲基蓝，探究了溶液pH、Fe/K₂CO₃@BC投加量、H₂O₂用量、温度等因素对亚甲基蓝降解效果的影响。结果表明，催化剂Fe/K₂CO₃@BC中的Fe物种主要以Fe₃O₄形式存在，具有一定的耐酸耐碱性，稳定性好。Fe/K₂CO₃@BC-H₂O₂类Fenton系统可高效催化降解水中的亚甲基蓝，且H₂O₂用量少，体系pH适应范围广。催化剂循环使用5次后，对亚甲基蓝的去除率仍达到85%以上。动力学研究表明该降解过程符合准二级动力学方程，证明亚甲基蓝的去除是由Fe/K₂CO₃@BC-H₂O₂体系中的氧化还原反应决定的。催化剂活化H₂O₂分子，产生羟基自由基，是高效降解亚甲基蓝的主要原因。

关键词: 生物质炭, Fenton, 亚甲基蓝, 降解

Abstract:

The modified bio-char K₂CO₃@BC was prepared by activating cotton straw as a precursor with K₂CO₃， placed in FeSO₄ solution to form a suspension. After drying，it was calcined to prepare the modified bio-char catalyst Fe/K₂CO₃@BC loaded iron. XRD， FT-IR and SEM were used to characterize Fe/K₂CO₃@BC and to study its acid and alkaline resistance.Using methylene blue as the target pollutant， the heterogeneous Fenton-like system composed of Fe/K₂CO₃@BC and H₂O₂ was used to degrade methylene blue in water. The effects of pH， Fe/K₂CO₃@BC dosage， H₂O₂dosage， temperature and other factors on the degradation of methylene blue were investigated. The results showed that the Fe species in Fe/K₂CO₃@BC mainly existed in the form of Fe₃O₄， which had certain acid and alkali resistance and good stability. Fe/K₂CO₃@BC-H₂O₂ Fenton-like system could catalyze the degradation of methylene blue in water with high efficiency， and the amount of H₂O₂ was small， the pH of the system had a wide range of adaptability. The removal rate of methylene blue still reached more than 85% after five cycles of catalyst use. The kinetic study showed that the degradation process conformed to the quasi-secondary kinetic equation， which proved that the removal of methylene blue was determined by the redox reaction in the Fe/K₂CO₃@BC-H₂O₂ system. The activation of H₂O₂ molecules by the catalyst and the generation of hydroxyl radicals were the main reasons for the efficient degradation of methylene blue.

Key words: bio-char, Fenton, methylene blue, degradation

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I4/98

图/表 12

图1 Fe/K₂CO₃@BC反应前后的XRD谱图

Fig. 1 XRD of Fe/ K₂CO₃@BC before and after reaction

图2 Fe/K₂CO₃@BC催化剂反应前后的红外光谱谱图

Fig. 2 FT-IR of Fe/K₂CO₃@BC before and after reaction

图3 K₂CO₃@BC（a）和Fe/K₂CO₃@BC（b）的SEM照片

Fig. 3 SEM image of K₂CO₃@BC （a） and catalyst Fe/K₂CO₃@BC （b）

表1 Fe/K₂CO₃@BC在不同溶液中的总铁溶解量

Table 1 Fe/K₂CO₃@BC total iron dissolved in different solutions

水样	H₂O	0.1 mol/L HCl	0.5 mol/LHCl	0.1 mol/LNaOH	0.5 mol/L NaOH
Fe/K₂CO₃@BC总铁溶量/（mg·L^-1）	0.178	1.38	16.93	1.27	9.29

图4 不同体系对亚甲基蓝的去除效果

Fig. 4 Removal of methylene blue by different systems

表2 溶液pH对亚甲基蓝去除率的影响

Table 2 Effect of solution pH on removal methylene blue

溶液pH	2	3	4	5	6	7	8	9	10
去除率/%	86.87	91.13	95.36	88.17	86.23	74.19	71.47	68.13	66.57

表3 Fe/K₂CO₃@BC投加量对亚甲基蓝去除率的影响

Table 3 Effect of Fe/K₂CO₃@BC dosage on removal effect

Fe/K₂CO₃@BC投加量/（g·L^-1）	0.2	0.5	1	1.5	2
去除率/%	45.53	72.57	95.36	98.24	99.27

表4 H₂O₂用量对亚甲基蓝去除率的影响

Table 4 Effect of H₂O₂dosage on methylene blue removal

H₂O₂用量/（mmol·L^-1）	0	2	5	10	15	20
去除率/%	40.55	69.77	89.49	95.36	91.75	82.62

图5 温度对去除亚甲基蓝的影响

Fig. 5 Effect of temperature on removal of methylene blue

图6 准二级动力学拟合曲线

Fig. 6 Fitting curve of quasi second order dynamics

表5 Fe/K₂CO₃@BC降解亚甲基蓝动力学模型拟合参数

Table 5 Fitting parameters of kinetic model for methylene blue degradation by Fe/K₂CO₃@BC

T/℃	准一级动力学模型			准二级动力学模型
T/℃	Q_e/（mg·g^-1）	k₁/min^-1	R²	Q_e/（mg·g^-1）	k₂/（g·mg^-1·min^-1）	R²
25	23.67	1.59×10^-2	0.866	92.59	2.21×10^-3	0.999
30	16.02	2.71×10^-2	0.882	96.15	4.56×10^-3	0.999
35	15.54	9.14×10^-3	0.644	86.21	2.97×10^-3	0.999

表6 Fe/K₂CO₃@BC循环使用特征

Table 6 Fe/K₂CO₃@BC recycling feature

Fe/K₂CO₃@BC循环次数	0	1	2	3	4	5
去除率/%	95.36	93.13	92.24	88.28	87.16	85.71

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