天然矿物纤维水镁石活化过一硫酸盐降解亚甲基蓝

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0080

摘要/Abstract

摘要：

以天然矿物纤维水镁石作为催化材料用于活化过一硫酸盐（PMS）降解亚甲基蓝（MB）。通过XRD、FT-IR、SEM和XPS等表征手段对纤维水镁石结构进行表征和分析，结果表明纤维水镁石的纳米纤维结构表面富含羟基和氧空位。探究了催化剂投加量、PMS浓度、溶液初始pH和反应温度对MB降解率的影响，结果表明，在MB初始质量浓度为10 mg/L，溶液初始pH为5.6，温度为30 ℃，纤维水镁石投加量为1.0 g/L，PMS浓度为1.0 mmol/L时，MB降解率在反应进行18 min时达到98.5%。纤维水镁石/PMS体系可在较宽的pH范围（3~11）内降解MB，且在5次循环利用后，MB降解率仍可达到83.4%，具有良好的可重复利用性和稳定性。该体系对染料、选矿药剂、抗生素类、酚类等物质去除均有较强的适用性。自由基猝灭实验与电子顺磁共振（EPR）结果表明，纤维水镁石/PMS体系中的活性物种主要为¹O₂和SO₄ ^•-。

关键词: 天然矿物, 纤维水镁石, 过一硫酸盐, 亚甲基蓝

Abstract:

Activated peroxymonosulfate(PMS) using natural mineral fibrous brucite as a catalytic material was employed for the degradation of methylene blue(MB). XRD, FT-IR, SEM and XPS were used to characterize and analyze the structure of fibrous brucite, it was proven that the surface of fibrous brucite nanofiber structure was rich in hydroxyl and oxygen vacancies. The effects of the dosage of catalyst, PMS concentration, initial pH and reaction temperature on the degradation rate of MB were investigated. The results showed that the degradation rate of MB reached 98.5% in 18 minutes when the initial concentration of MB was 10 mg/L, the initial pH of the solution was 5.6, the temperature was 30 ℃, the dosage of fibrous brucite was 1.0 g/L, and the concentration of PMS was 1.0 mmol/L. The fibrous brucite/PMS system could degrade MB within a wide pH range (3-11). The degradation rate of MB could still reach 83.4% after 5 cycles, indicating good reusability and stability. The system had strong applicability for the removal of dyes, mineral processing reagents, antibiotics and phenols. The results of free radical quenching experiment and electron paramagnetic resonance(EPR) showed that the active species in the fibrous brucite/PMS system were mainly ¹O₂ and SO₄ ^•-.

Key words: natural mineral, fibrous brucite, peroxymonosulfate, methylene blue

中图分类号:

X703.1
TQ426

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I2/85

图/表 18

图1 纤维水镁石的XRD

Fig.1 XRD pattern of fibrous brucite

表1 纤维水镁石的主要化学组成

Table1 Content of chemical composition in fibrous brucite

组分	MgO	SiO₂	Fe₂O₃	NiO	Al₂O₃	CaO	MnO	Cr₂O₃	Co₂O₃	K₂O	合计
质量分数/%	51.76	38.75	7.63	0.40	0.30	0.30	0.28	0.24	0.04	0.02	99.72

图2 纤维水镁石的FT-IR

Fig.2 FT-IR spectrum of fibrous brucite

图3 纤维水镁石的SEM（a~b）、元素映射图谱（c~d）及EDS能谱（e）

Fig.3 SEM images（a-b），element mapping images（c-d），and EDS energy spectrum（e） of fibrous brucite

图4 纤维水镁石的N₂吸附-解吸等温曲线（a）和孔径分布曲线（b）

Fig.4 Nitrogen isotherm adsorption-desorption curves（a） and pore size distribution curves（b） of fibrous brucite

图5 不同反应体系对MB的降解效果

Fig.5 Degradation effects of different reaction systems on MB

图6 不同催化体系中MB的催化降解效果

Fig.6 The catalytic degradation effects of MB in different catalytic systems

表2 不同催化体系的准一级反应动力学拟合结果

Table 2 Fitting results of pseudo-first-order reaction kinetics in different catalytic systems

反应体系	准一级动力学方程	k _obs/min^-1	R ²
纤维蛇纹石/PMS	-ln（C_t /C ₀）=0.051 2t+0.056 1	0.051 2	0.981 4
海泡石纤维/PMS	-ln（C_t /C ₀）=0.017 6t+0.234 6	0.017 6	0.988 3
纤维水镁石/PMS	-ln（C_t /C ₀）=0.183 7t-0.264 8	0.183 7	0.951 3

图7 不同纤维水镁石投加量下MB的降解效率（a）及准一级反应动力学拟合曲线（b）

Fig.7 Degradation efficiencies of MB （a） and kinetic fitting curves of quasi-first-order reaction （b） under different fibrous brucite dosages

图8 不同PMS投加量下MB的降解效率（a）及准一级反应动力学拟合曲线（b）

Fig.8 Degradation efficiencies of MB （a） and kinetic fitting curves of quasi-first-order reaction （b） under different PMS dosages

图9 不同初始pH条件下MB的降解效率（a）及准一级反应动力学拟合曲线（b）

Fig.9 Degradation efficiencies of MB （a） and kinetic fitting curves of quasi-first-order reaction （b） under different initial pH conditions

图10 不同反应温度下MB的降解效率（a）及准一级反应动力学拟合曲线（b）

Fig.10 Degradation efficiencies of MB （a） and kinetic fitting curves of quasi-first-order reaction （b） at different reaction temperatures

图11 共存阴离子和HA对MB降解的影响

Fig.11 Effects of co-existing anions and HA on MB degradation

图12 循环降解实验结果

Fig.12 Experimental results of cyclic degradation

图13 水镁石/PMS 体系降解不同污染物（a）及在实际水体背景（b）下的应用效果

Fig.13 Degradation of different pollutants by fibrous brucite/PMS system （a） and its application effect in actual water background （b）

图14 反应前后纤维水镁石的XPS总谱（a）、Mg 1s（b）谱图和O 1s谱图（c）

Fig.14 XPS spectra of survey（a），Mg 1s（b） and O 1s（c） of fibrous brucite before and after the reaction

图15 猝灭剂对MB降解的影响

Fig.15 Effect of the radical scavengers on MB degradation

图16 不同体系中自由基加合物的EPR图谱

Fig.16 EPR spectra of trapped radical adducts in different systems

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