矿物基环境修复材料制备及应用的综合性实验设计

为促进“研学结合”,增强学生实际操作能力,依托于化学实验平台设计了“矿物基环境修复材料制备及应用”的化学综合实验。实验内容包括改性沸石材料的制备、表征和应用探索。实验由教师科研成果转化而成,已在本校环境化学综合实验课中进行教学实践,该实验可以使学生掌握文献调研、材料制备与表征、性能分析、数据处理等重要技能,锻炼学生综合实验设计和思维创新的能力,激发了学生探索环境修复材料前沿知识的兴趣。     

催化臭氧氧化降解邻苯二甲酸二甲酯中催化剂构效关系

采用传统焙烧和微波辐射制备了不同活性炭 (AC) 负载 Ru 催化剂, 并用于催化臭氧氧化降解邻苯二甲酸二甲酯 (DMP) 反应中, 探讨了催化剂的构效关系. 结果表明, 所有 AC 和催化剂均能提高臭氧氧化 DMP 过程中 TOC (总有机碳) 去除率, 其活性顺序为 Ru/coal-AC > nutshell-AC > Ru/nutshell-AC > Ru/coconut-AC ≈ coal-AC > coconut-AC. 负载的 Ru 颗粒扩散到 AC 大孔中, 增加了反应的传质阻力, 使得反应物与 AC 内表面的活性位和金属 Ru 的接触机会减少, 这是 Ru/nutshell-AC 和 Ru/coconut-AC 活性低于 Ru/coal-AC 的一个原因; 催化剂表面 Ru 分散度也是导致其活性差别的原因之一. 微波加热引起 nutshell-AC 表面活性官能团发生变化, 从而导致其负载的 Ru 催化活性降低. 相对于传统焙烧, 微波辐射热处理能够提高 coal-AC 表面 Ru 的分散度, 从而提高催化剂活性.     

湿式氧化工艺中颗粒Ru催化剂的活性和稳定性

分别采用传统成型法和新的成型法制备了一系列以CeO2为主要成分的载体,将贵金属Ru浸渍在这些载体上制备了不同的催化剂.对催化剂的比表面积和机械强度进行了表征,并通过湿式氧化乙酸的静态实验和湿式氧化苯酚的动态实验分别考察了催化剂的活性和稳定性.结果表明,Ru负载在采用新方法成型的载体上制得的催化剂具有更大的比表面积.向CeO2中掺杂Zr能增大载体的比表面积.新方法制备的催化剂Ru/ZrO2-CeO2催化湿式氧化乙酸具有良好的活性,化学需氧量(COD)去除率为98%.在110h的催化湿式氧化苯酚反应中,苯酚和COD的去除率维持在96%左右,反应过程中活性组分的溶出浓度很小,催化剂表面有少量的积炭,但积炭在300℃能够被完全氧化.因而催化剂具有较好的稳定性和工业应用可能性.     

Al2O3催化剂结构对催化臭氧化活性的影响

以Al₂O₃为催化剂催化臭氧化处理邻苯二甲酸二甲酯. 通过XRD、比表面积、孔结构、FTIR和活性评价等方法对催化剂的物化性质及催化活性进行了研究, 考察了焙烧温度、成型粒径对催化剂活性的影响. 结果表明, Al₂O₃催化剂对臭氧化降解邻苯二甲酸二甲酯具有很高的催化活性, 反应120 min后, 总有机碳(TOC)的去除率从单独臭氧氧化的23.9%提高到55.1%; 焙烧温度对催化剂的活性具有很大的影响, 600 ℃催化剂催化活性最高; 随着焙烧温度的升高, Al₂O₃晶型经历了从γ-Al₂O₃到θ-Al₂O₃到α-Al₂O₃的转变, 催化剂的比表面积、焙烧得到的孔容逐渐变小, 晶体粒径变大, 表面•OH数量减少, 催化活性下降. Al₂O₃成型粒径的减小, 提高了催化剂的外比表面积, 减小了内部传质扩散的影响, 从而提高了催化活性.     

CeO2-TiO2催化剂的表面结构及其湿式氧化活性

 采用溶胶-凝胶法和共沉淀法制备了CeO2-TiO2催化剂,利用N2吸附、X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱和Zeta电位分析等手段表征了催化剂的表面结构性质. 以乙酸和苯酚为目标物,进行了湿式氧化高浓度乙酸和苯酚的活性测试,研究了CeO2-TiO2催化剂表面结构与活性之间的关系. 结果表明, Ce和Ti之间的相互作用使复合氧化物CeO2-TiO2催化剂具有小的晶粒尺寸和高的比表面积,催化剂表面化学吸附氧含量增加,且不同制备方法得到的CeO2-TiO2催化剂表面电位点不同,共沉淀法制备的催化剂更有利于乙酸和苯酚的吸附. 在湿式氧化反应中, CeO2-TiO2催化剂有较高的活性,其中共沉淀法制备的催化剂活性最高; 在230 ℃, 5 MPa条件下反应120 min后,乙酸COD去除率为79%; 在150 ℃, 4 MPa下反应120 min后,苯酚COD去除率为96%.     

ZrxCe1－xO2催化剂催化湿式氧化乙酸的活性研究

采用共沉淀法制备了Zr_xCe_1－xO₂催化剂, 利用BET, XRD和XPS对其进行了表征, 并研究了催化剂催化湿式氧化乙酸的活性. 结果表明: Zr和Ce摩尔比为1∶9的催化剂催化湿式氧化乙酸时具有最好的活性, 当乙酸溶液的初始化学需氧量(COD)为5000 mg/L, 反应温度为230 ℃, 压力为5 MPa时, 120 min后, COD的去除率为76% . 催化剂具有良好的活性是因为在CeO₂中加入Zr能够增大催化剂的比表面积和表面缺陷氧的含量, 并最终加快了HO₂•自由基的产生, 从而提高了催化剂的活性.     

ZrxCe1－xO2催化剂催化湿式氧化乙酸的活性研究

采用共沉淀法制备了Zr_xCe_1－xO₂催化剂, 利用BET, XRD和XPS对其进行了表征, 并研究了催化剂催化湿式氧化乙酸的活性. 结果表明: Zr和Ce摩尔比为1∶9的催化剂催化湿式氧化乙酸时具有最好的活性, 当乙酸溶液的初始化学需氧量(COD)为5000 mg/L, 反应温度为230 ℃, 压力为5 MPa时, 120 min后, COD的去除率为76% . 催化剂具有良好的活性是因为在CeO₂中加入Zr能够增大催化剂的比表面积和表面缺陷氧的含量, 并最终加快了HO₂•自由基的产生, 从而提高了催化剂的活性.     

Ru/ZrO2-CeO2催化剂催化湿式氧化乙酸和苯酚的研究

采用共沉淀法制备了ZrO2-CeO2颗粒载体,利用浸渍法制备了Ru/ZrO2-CeO2颗粒催化剂,采用BET、XRD、SEM、TEM等方法对其进行了结构表征,测定了其催化湿式氧化乙酸的活性,并以苯酚为模型物进行了动态试验.结果表明,Zr的添加抑制了CeO2晶粒的长大,增加了催化剂的抗热性能.当催化剂Zr、Ce摩尔比为1∶9,焙烧温度为300℃时催化剂活性最高,在200℃和4 MPa下,催化湿式氧化乙酸反应120 m in后,COD去除率可达99%.动态实验100 h内,苯酚与COD的去除率都保持在90%以上,催化剂具有很好的活性和稳定性.     

钾掺杂g-C3N4薄膜光阳极的制备及光电催化氧化降解水中双氯芬酸钠性能

兼具高光学质量和电化学性能的薄膜光电极难以制备, 限制了光电催化氧化技术在水处理中的的应用. 本文采用原位煅烧法制备了负载在氧化铟锡(ITO)玻璃上的石墨相氮化碳(g-C₃N₄)薄膜电极, 并通过掺杂K⁺提高其光电催化氧化性能; 对电极进行了表征, 研究了其光电催化氧化降解水中双氯芬酸钠(DCF)的效率及降解路径. 结果表明, 原位煅烧法能制备出高质量的K⁺/g-C₃N₄薄膜光电极, K⁺的掺杂并未明显改变电极上g-C₃N₄的晶型、 价态和多孔形貌, 但可以提高ITO玻璃上g-C₃N₄的负载量, 增强电极对可见光的响应; K⁺的最佳掺杂浓度为0.002 mol/L, K⁺/g-C₃N₄薄膜电极光电催化氧化降解DCF的速率常数是纯g-C₃N₄薄膜电极的1.86倍; 当初始pH值为4, 电压为1 V, 光源强度为0.96 W/cm², 反应2 h后水中DCF降解率达到70%. K⁺/g-C₃N₄薄膜电极光电催化氧化过程中, 光催化氧化和电化学氧化之间存在协同作用, 两者相互增强, 并提高了反应过程中光生 空穴(h⁺)和羟基自由基(·OH)浓度, 在这两种活性物质作用下, 水中DCF分别被h⁺氧化生成咔唑衍生物、 与·OH发生加成反应生成多羟基芳香化合物, 最后开环生成小分子物质.     

Al2O3催化剂结构对催化臭氧化活性的影响

以Al₂O₃为催化剂催化臭氧化处理邻苯二甲酸二甲酯. 通过XRD、比表面积、孔结构、FTIR和活性评价等方法对催化剂的物化性质及催化活性进行了研究, 考察了焙烧温度、成型粒径对催化剂活性的影响. 结果表明, Al₂O₃催化剂对臭氧化降解邻苯二甲酸二甲酯具有很高的催化活性, 反应120 min后, 总有机碳(TOC)的去除率从单独臭氧氧化的23.9%提高到55.1%; 焙烧温度对催化剂的活性具有很大的影响, 600 ℃催化剂催化活性最高; 随着焙烧温度的升高, Al₂O₃晶型经历了从γ-Al₂O₃到θ-Al₂O₃到α-Al₂O₃的转变, 催化剂的比表面积、焙烧得到的孔容逐渐变小, 晶体粒径变大, 表面•OH数量减少, 催化活性下降. Al₂O₃成型粒径的减小, 提高了催化剂的外比表面积, 减小了内部传质扩散的影响, 从而提高了催化活性.