钢渣/氮掺杂改性活性炭催化过硫酸盐降解罗丹明B

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0103

摘要/Abstract

摘要：

以提高钢渣资源化利用和深度降解有机污染物为研究目标，通过改变氨气煅烧温度制备了系列钢渣/氮掺杂改性活性炭复合材料，并用于催化过硫酸钠处理罗丹明B（RhB）废水。同时采用N₂吸附/脱附、XRD、XPS等手段对复合材料的孔结构和表面性质进行了表征。结果表明：氮元素的引入可改善复合材料中活性金属与活性炭之间的相互作用，从而提高复合材料的催化活性。以最优复合材料60%GZ/AC-N800为研究对象，在反应温度为35 ℃、PS加量为2 g/L和宽pH（3~11）操作条件下，反应30 min后罗丹明B（100 mg/L）的去除率可达88.7%~92.2%。动力学分析发现，60%GZ/AC-N800复合材料催化PS降解RhB符合准二级动力学。自由基掩蔽实验发现，该降解过程是自由基途径（SO₄ ^·-和·OH）和非自由基途径（¹O₂）共同参与反应的氧化过程。

关键词: 钢渣, 活性炭, 氮掺杂, 罗丹明B, 过硫酸盐

Abstract:

In order to improve the resource utilization of steel slag and further degrade organic pollutants，a series of steel slag/nitrogen-doped modified activated carbon composites materials were prepared by changing the calcination temperature in ammonia and used to activate sodium persulfate to treat Rhodamine B wastewater. The pore structure and surface properties of the composites were characterized by N₂ adsorption/desorption，XRD and XPS. The results showed that the introduction of nitrogen could improve the interaction between active metal and activated carbon in the composites，thus improving the catalytic activity of the composites. With the optimal composite 60%GZ/AC-N800 as the research object，under the condition temperature 35 ℃，2 g/L PS and wide pH（3-11），the removal rate of Rhodamine B（100 mg/L） could reach 88.7%-92.2% after 30 min. The kinetic analysis showed that 60%GZ/AC-N800 composite catalyzed the degradation of RhB by PS in line with the quasi-second-order kinetics. Free radical masking experiments showed that the degradation process was an oxidation process involving both free radical pathways（SO₄ ^·- and ·OH） and non-free radical pathways（¹O₂）.

Key words: steel slag, activated carbon, nitrogen-doped, Rhodamine B, persulfate

中图分类号:

X426

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I2/147

图/表 15

图1 N₂吸附-脱附等温线和相应的孔径分布

Fig.1 N₂ adsorption-desorption isothermal of samples and the corresponding pore size distribution curves

表1 复合材料的比表面积及结构性质

Table 1 Specific surface area and structural properties of composites

催化剂	S _BET/（m²·g^-1）	V _t/（cm³·g^-1）	V _meso/（cm³·g^-1）	V _meso/V _t/%	D/nm
AC-N800	702.1	0.445	0.103	23.1	5.02
GZ-N800	3.3	0.010	—	—	8.60
60%GZ/AC-N500	365.2	0.257	0.099	38.5	5.16
60%GZ/AC-N650	373.7	0.266	0.098	36.8	5.30
60%GZ/AC-N800	444.4	0.334	0.158	47.3	5.24
60%GZ/AC-H800	412.4	0.297	0.096	32.3	5.09
60%GZ/AC-D800	417.4	0.279	0.096	34.4	4.73

图2 材料的XRD谱图

Fig.2 XRD patterns of samples

图3 材料的XPS全谱图

Fig.3 XPS survey spectra of samples

图4 材料的O 1s、N 1s和Fe 2p XPS谱图

Fig.4 XPS spectra of O 1s、N 1s and Fe 2p of samples

表2 XPS拟合的材料表面的元素原子数分数 (%)

Table 2 Elemental composition of the surface of samples determined by XPS

样品	C	O	N	Fe	O 1s
样品	C	O	N	Fe	O-1	O-2	O-3	O-4
AC-N800	93.12	4.76	2.12	—	0.71	1.46	1.93	0.65
GZ-N800	16.29	79.53	—	4.18	19.77	33.25	22.33	4.18
60%GZ/AC-N500	83.27	12.16	3.88	0.69	4.26	4.70	3.04	0.12
60%GZ/AC-N650	84.17	12.07	2.91	0.85	5.06	3.81	2.43	0.77
60%GZ/AC-N800	84.90	11.88	2.26	0.96	5.46	3.67	2.34	0.42

表3 N1s XPS拟合种类N的原子数分数 (%)

Table 3 Relative surface concentrations of nitrogen species obtained by fitting the N 1s XPS spectra

样品	N 1s
样品	N-py	N-pyr	N-g	N-O	Fe-Nx
AC-N800	0.87	0.84	0.25	0.17	—
GZ-N800	—	—	—	—	—
60%GZ/AC-N500	1.45	1.47	0.61	0.35	—
60%GZ/AC-N650	1.38	0.59	0.27	0.44	0.24
60%GZ/AC-N800	1.04	0.18	0.46	0.16	0.40

表4 Fe 2p XPS拟合Fe的原子数分数 (%)

Table 4 Relative surface concentrations of iron species obtained by fitting the Fe 2p XPS spectra

样品	Fe 2p
样品	总铁	Fe²⁺	Fe³⁺	Fe⁰
AC-N800	—	—	—	—
GZ-N800	4.18	3.46	0.69	0.027
60%GZ/AC-N500	0.69	0.41	0.28	0.003
60%GZ/AC-N650	0.86	0.65	0.19	0.017
60%GZ/AC-N800	0.96	0.63	0.30	0.029

图5 各催化材料活化PS降解RhB的效果

Fig.5 Degradation of RhB by PS activated by various catalytic materials

图6 60%GZ/AC-N800活化PS降解RhB全谱图

Fig.6 The full spectrum of 60%GZ/AC-N800 for PS activation to degrade RhB

图7 动力学拟合曲线

Fig.7 Curves of Kinetic fitting

图8 反应温度对降解RhB的影响

Fig.8 Effects of different temperatures on the degradation rate of RhB

图9 PS加量对去除RhB的影响

Fig.9 Effects of different PS additions on the degradation rate of RhB

图10 溶液初始pH对降解RhB的影响

Fig.10 Effects of different pHs on the degradation rate of RhB

图11 自由基猝灭剂对催化过硫酸盐氧化降解RhB的影响

Fig.11 Effects of free radical quenching on the degradation of RhB

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