鐵基非均相催化劑性能研究及應(yīng)用

本書(shū)以鐵基非均相催化劑的合成及其在高級(jí)氧化領(lǐng)域去除水中難降解有機(jī)污染物的研究為主線，主要涵蓋了鐵基非均相催化劑的制備、表征、性能研究、催化反應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用等方面的內(nèi)容，探究了鐵基非均相催化劑對(duì)難降解有機(jī)污染物的去除性能，并結(jié)合系列表征，旨在掌握催化劑結(jié)構(gòu)與有機(jī)污染物降解性能的規(guī)律，調(diào)控并優(yōu)化提高鐵基非均相催化劑的催化效率和穩(wěn)定性。通過(guò)豐富的案例，展示了鐵基非均相催化劑的廣泛應(yīng)用性。
本書(shū)內(nèi)容豐富新穎、結(jié)構(gòu)科學(xué)清晰、語(yǔ)言通俗易懂，可供催化、水處理等領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員及管理人員參考，也可供高等學(xué)校環(huán)境科學(xué)與工程、化學(xué)工程、材料工程及相關(guān)專業(yè)師生參閱。

孫秀萍，講師，2022年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)，獲環(huán)境科學(xué)與工程博士學(xué)位，畢業(yè)后就職于煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院給排水專業(yè)，從事水質(zhì)工程學(xué)的教學(xué)工作。近5年來(lái)作為核心成員參與3項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目No. 52070005——PBAs 衍生雙金屬?gòu)?fù)合陰極的制備及陰陽(yáng)極協(xié)同氧化降解水中PPCPs；No. 51778013——基于改性碳素電極和包裹型固相催化劑的陰陽(yáng)極協(xié)同氧化體系的構(gòu)建及其降解典型除草劑研究；No. 51478014——陰極還原脫氯-陽(yáng)極電化學(xué)氧化耦合降解酚類有機(jī)污染物效能與機(jī)理。參與1項(xiàng)北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目；參與1項(xiàng)橫向課題：北京市密云區(qū)河道排污口調(diào)查和污染源追根溯源項(xiàng)目。在環(huán)境領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)論文5篇；授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利4項(xiàng)。

1.本書(shū)所介紹的氧化技術(shù)能夠在常溫常壓下分解廢水中的有機(jī)物，符合國(guó)家“綠色發(fā)展”的要求，是水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有較多專業(yè)人員關(guān)注。 2.本書(shū)主要介紹了鈷鐵基殼聚糖碳化微球催化劑及若干種復(fù)合陰極的制備、性能，并展示了其在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用效果，具有較好的全面性和參考價(jià)值。 3.本書(shū)能夠拓展讀者對(duì)鐵基非均相催化劑的認(rèn)識(shí)，啟發(fā)其設(shè)計(jì)優(yōu)化適用于不同種類有機(jī)廢水的鐵基催化劑。

高級(jí)氧化技術(shù)是一種新興的廢水處理技術(shù)，其核心是強(qiáng)氧化劑在催化劑作用下，將廢水中的大分子難降解有機(jī)物氧化成小分子物質(zhì)甚至最終將其礦化為二氧化碳和水，從而使廢水得以凈化。高級(jí)氧化深度去除微污染物的研究關(guān)乎日常生活中的水環(huán)境污染問(wèn)題。在高級(jí)氧化廢水處理中，催化劑的作用尤為突出。催化劑是化學(xué)反應(yīng)中的重要組成部分，可以改變反應(yīng)速率和反應(yīng)選擇性，從而使一些有害有毒的物質(zhì)得以轉(zhuǎn)化為無(wú)害無(wú)毒的物質(zhì)。其中，鐵基非均相催化劑是一種重要的催化劑，具有成本低廉、制備方法簡(jiǎn)單、催化活性高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)有催化劑的催化效率和穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高。因此，深入研究和改進(jìn)鐵基非均相催化劑的性能，對(duì)于污水高效綠色處理具有深遠(yuǎn)影響，已成為化學(xué)領(lǐng)域的重要課題。
鐵基非均相催化劑的制備過(guò)程比較復(fù)雜，而且其催化機(jī)理和應(yīng)用方面的問(wèn)題也需要進(jìn)一步研究。因此，筆者團(tuán)隊(duì)制備了不同成分和結(jié)構(gòu)的鐵基非均相催化劑，圍繞其在高級(jí)氧化廢水處理中的性能展開(kāi)研究，旨在為鐵基非均相催化劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。
本書(shū)共分8章。第1章主要介紹了高級(jí)氧化技術(shù)、非均相高級(jí)氧化技術(shù)及鐵基非均相催化劑在污水處理方面的研究現(xiàn)狀；第2章主要介紹了鐵基非均相催化劑的表征方法、性能測(cè)試、評(píng)價(jià)指標(biāo)及毒性評(píng)估等；第3 ~第7章分別探討了不同鐵基非均相催化劑的性能及其在不同高級(jí)氧化技術(shù)中的應(yīng)用，主要包括投加型催化劑如鎳鐵基催化劑、鈷鐵基殼聚糖碳化微球催化劑，負(fù)載型催化劑如鈷鐵基碳納米管泡沫鎳復(fù)合陰極、銅鐵基活性炭纖維復(fù)合陰極、鈷鐵基石墨氈復(fù)合陰極；第8章介紹了鐵基催化劑的性能比較及展望。本書(shū)結(jié)合最新的研究成果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入探討了鐵基非均相催化劑的制備方法、結(jié)構(gòu)表征、性能評(píng)價(jià)等方面的問(wèn)題；此外，還介紹了鐵基非均相催化劑在使用高級(jí)氧化技術(shù)處理難降解有機(jī)廢水中的應(yīng)用實(shí)例，為讀者提供了參考。這些內(nèi)容旨在幫助讀者更好地理解不同鐵基非均相催化劑的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、元素組成等，以及其在高級(jí)氧化體系中發(fā)揮的催化性能和影響因素。鐵基非均相催化劑在制備方法、結(jié)構(gòu)表征、性能評(píng)價(jià)等方面取得了許多重要進(jìn)展，這些進(jìn)展不僅有助于我們更好地理解鐵基非均相催化劑的催化機(jī)理，也為實(shí)際應(yīng)用提供了更多的可能性。通過(guò)深入探討鐵基非均相催化劑的性能及應(yīng)用，我們可以更好地理解這一重要的催化反應(yīng)過(guò)程。
本書(shū)內(nèi)容深入淺出，使復(fù)雜的理論問(wèn)題變得易于理解；同時(shí)，本書(shū)將理論與應(yīng)用結(jié)合，兼具學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義。本書(shū)的出版受到了煙臺(tái)大學(xué)科研啟動(dòng)基金（TM22B211）和煙臺(tái)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（120402）的資助。感謝在完成本書(shū)的過(guò)程中給予無(wú)私幫助的專家學(xué)者和同行，他們的建議和指導(dǎo)使本書(shū)更加完善，更具深度。
限于著者水平及撰寫(xiě)時(shí)間，書(shū)中不足和疏漏之處在所難免，敬請(qǐng)讀者提出修改建議。

孫秀萍
2023年12月

第1章 概述 001
1.1 高級(jí)氧化技術(shù) 002
1.1.1 臭氧氧化技術(shù) 002
1.1.2 芬頓氧化技術(shù) 003
1.1.3 電化學(xué)氧化技術(shù) 003
1.1.4 光催化氧化技術(shù) 004
1.1.5 過(guò)硫酸鹽氧化技術(shù) 006
1.2 非均相高級(jí)氧化技術(shù) 012
1.2.1 基于羥基自由基的非均相高級(jí)氧化技術(shù) 012
1.2.2 基于硫酸根自由基的非均相高級(jí)氧化技術(shù) 014
1.3 鐵基非均相催化劑在污水處理方面的研究現(xiàn)狀 017
1.3.1 鐵基單金屬非均相催化劑的研究現(xiàn)狀 017
1.3.2 鐵基雙金屬非均相催化劑的研究現(xiàn)狀 020
參考文獻(xiàn) 023

第2章 鐵基非均相催化劑 032
2.1 表征測(cè)試方法 033
2.1.1 表面形貌分析 033
2.1.2 微觀結(jié)構(gòu)分析 033
2.1.3 晶體結(jié)構(gòu)分析 033
2.1.4 表面元素組成分析 033
2.1.5 拉曼光譜分析 033
2.1.6 比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析 034
2.1.7 官能團(tuán)結(jié)構(gòu)分析 034
2.1.8 親疏水性分析 034
2.1.9 熱穩(wěn)定性分析 034
2.1.10 磁性能分析 034
2.1.11 電極電化學(xué)性能測(cè)試 034
2.2 目標(biāo)物檢測(cè)與分析方法 035
2.2.1 PS檢測(cè)方法 035
2.2.2 H2O2 檢測(cè)方法 035
2.2.3 金屬離子濃度測(cè)定方法 035
2.2.4 零電荷點(diǎn)測(cè)定方法 035
2.2.5 污染物檢測(cè)方法 036
2.2.6 降解產(chǎn)物檢測(cè)方法 037
2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)與計(jì)算方法 037
2.3.1 污染物去除率計(jì)算 037
2.3.2 降解動(dòng)力學(xué)分析 037
2.3.3 電流效率計(jì)算 038
2.3.4 礦化率計(jì)算 038
2.3.5 能耗分析 038
2.4 毒性評(píng)估 039
2.4.1 大腸埃希菌生長(zhǎng)抑制實(shí)驗(yàn) 039
2.4.2 生態(tài)毒性評(píng)估 039
參考文獻(xiàn) 040

第3章　鎳鐵基催化劑 041
3.1 鎳鐵基催化劑的制備與表征 042
3.2 鎳鐵基催化劑活性評(píng)價(jià) 043
3.3 鎳鐵基催化劑的晶相、形態(tài)和組成 043
3.4 鎳鐵基催化劑應(yīng)用于非均相高級(jí)氧化體系的性能研究 047
3.5 鎳鐵基催化劑非均相高級(jí)氧化體系催化機(jī)理探究 052
3.6 鎳鐵基催化劑在不同實(shí)際水體中的應(yīng)用研究 054
3.7 鎳鐵基催化劑降解不同污染物的適用性研究 055
3.8 鎳鐵基催化劑的穩(wěn)定性 055
3.9 鎳鐵基催化劑在連續(xù)流固定床中的應(yīng)用 056
參考文獻(xiàn) 057

第4章 鈷鐵基殼聚糖碳化微球催化劑 060
4.1 鈷鐵基殼聚糖碳化微球催化劑的制備 061
4.1.1 CoFe@NC的制備 061
4.1.2 CoFe@NC/CM 的制備 062
4.1.3 CoFe@NC/CCM 的制備 062
4.2 鈷鐵基殼聚糖碳化微球催化劑制備條件優(yōu)化 063
4.2.1 熱解溫度的優(yōu)化 063
4.2.2 碳化溫度的優(yōu)化 063
4.2.3 CoFe@NC與Cs質(zhì)量比的優(yōu)化 064
4.3 CoFe@NC/CCM 的表征 065
4.3.1 晶體結(jié)構(gòu)分析 065
4.3.2 Raman光譜分析 066
4.3.3 表面形貌分析 067
4.3.4 微觀形貌分析 068
4.3.5 表面元素組成分析 069
4.3.6 官能團(tuán)結(jié)構(gòu)分析 070
4.3.7 熱穩(wěn)定性分析 071
4.3.8 磁性能分析 071
4.4 不同影響因素對(duì)處理效果的影響 072
4.4.1 CoFe@NC/CCM 投加量 072
4.4.2 PMS投加量 073
4.4.3 溶液pH值 074
4.4.4 反應(yīng)溫度 075
4.4.5 污染物初始濃度 076
4.5 CoFe@NC/CCM 催化PDS和H2O2 處理廢水的性能對(duì)比 077
4.6 CoFe@NC/CCM 穩(wěn)定性測(cè)試 078
4.7 CoFe@NC/CCM 非均相高級(jí)氧化體系催化機(jī)理探究 079
參考文獻(xiàn) 082

第5章 鈷鐵基碳納米管泡沫鎳復(fù)合陰極 085
5.1 鈷鐵基碳納米管泡沫鎳復(fù)合陰極的制備 086
5.2 碳納米管泡沫鎳陰極的制備及表征 087
5.2.1 CNTs/NF陰極制備條件優(yōu)化 088
5.2.2 CNTs/NF陰極的表征 091
5.3 鈷鐵基碳納米管泡沫鎳復(fù)合陰極的制備及表征 093
5.3.1 CoFe@NC-CNTs/CNTs/NF復(fù)合陰極制備條件優(yōu)化 093
5.3.2 CoFe@NC-CNTs/CNTs/NF復(fù)合陰極表征 095
5.4 碳納米管泡沫鎳陰極對(duì)H2O2 生成量的影響因素探究 099
5.4.1 曝氣量對(duì)H2O2 生成量的影響 099
5.4.2 電流密度對(duì)H2O2 生成量的影響 100
5.4.3 初始pH值對(duì)H2O2 生成量的影響 101
5.5 鈷鐵基碳納米管泡沫鎳復(fù)合陰極非均相EF體系的性能研究 102
5.5.1 不同影響因素對(duì)處理效果的影響 102
5.5.2 鈷鐵基碳納米管泡沫鎳復(fù)合陰極穩(wěn)定性測(cè)試 105
5.5.3 非均相EF體系催化機(jī)理探究 106
5.6 非均相EF-PDS復(fù)合體系降解性能研究 110
5.6.1 曝氣量對(duì)處理效果的影響 110
5.6.2 PDS投加量對(duì)處理效果的影響 112
5.6.3 電流密度對(duì)處理效果的影響 112
5.6.4 溶液初始pH值對(duì)處理效果的影響 114
5.6.5 非均相EF-PDS復(fù)合體系活性氧物種的鑒定 114
5.7 非均相EF-PDS復(fù)合體系在不同實(shí)際水體中的應(yīng)用研究 115
5.8 非均相EF-PDS復(fù)合體系降解不同污染物的適用性研究 116
參考文獻(xiàn) 118

第6章 銅鐵基活性炭纖維復(fù)合陰極 121
6.1 銅鐵基活性炭纖維復(fù)合陰極的制備 122
6.1.1 CuFe2O4@ACF電極的制備 122
6.1.2 CuFe2O4@ACF電極制備條件的優(yōu)化 122
6.2 CuFe2O4@ACF電極的表征 124
6.2.1 表面形貌表征 124
6.2.2 元素組成分析 125
6.3 銅鐵基活性炭纖維復(fù)合陰極電活化PDS性能測(cè)試 125
6.3.1 不同因素對(duì)處理效果的影響 126
6.3.2 礦化度測(cè)試 129
6.3.3 CuFe2O4@ACF復(fù)合陰極電活化PDS體系催化機(jī)理探究 130
6.3.4 CuFe2O4@ACF電極重復(fù)穩(wěn)定性測(cè)試 131
6.4 銅鐵基活性炭纖維復(fù)合陰極降解不同污染物的適用性研究 132
參考文獻(xiàn) 133

第7章　鈷鐵基石墨氈復(fù)合陰極 134
7.1 FeO-CoFeO/GF復(fù)合陰極的制備 135
7.2 FeO-CoFeO/GF復(fù)合陰極制備條件優(yōu)化 136
7.2.1 金屬鹽濃度的優(yōu)化 136
7.2.2 金屬比例的優(yōu)化 137
7.2.3 煅燒溫度的優(yōu)化 138
7.3 FeO-CoFeO/GF復(fù)合陰極的表征 139
7.3.1 晶體結(jié)構(gòu)分析 139
7.3.2 表面元素組成分析 141
7.3.3 表面形貌分析 141
7.3.4 微觀結(jié)構(gòu)分析 143
7.3.5 熱穩(wěn)定性分析 143
7.3.6 官能團(tuán)結(jié)構(gòu)分析 144
7.3.7 比表面積分析 144
7.3.8 電化學(xué)測(cè)試分析 145
7.4 FeO-CoFeO/GF復(fù)合陰極電活化PDS的性能測(cè)試 146
7.4.1 不同因素對(duì)處理效果的影響 146
7.4.2 FeO-CoFeO/GF復(fù)合陰極的穩(wěn)定性 152
7.4.3 活性氧物種類型的鑒定 153
7.4.4 溶解氧對(duì)阿特拉津降解的影響 154
7.5 FeO-CoFeO/GF電活化PDS體系催化機(jī)理探究 156
7.6 FeO-CoFeO/GF復(fù)合陰極在不同實(shí)際水體中的應(yīng)用研究 160
7.7 FeO-CoFeO/GF復(fù)合陰極降解不同污染物的適用性研究 161
7.8 阿特拉津降解產(chǎn)物及降解路徑分析 162
7.9 毒性分析 164
參考文獻(xiàn) 167

第8章 鐵基催化劑性能比較及展望 170
8.1 鐵基催化劑性能比較 171
8.1.1 鎳鐵基催化劑 171
8.1.2 鈷鐵基殼聚糖碳化微球催化劑 172
8.1.3 鈷鐵基碳納米管泡沫鎳復(fù)合陰極 175
8.1.4 銅鐵基活性炭纖維復(fù)合陰極 177
8.1.5 鈷鐵基石墨氈復(fù)合陰極 178
8.2 展望 179
8.2.1 存在問(wèn)題 179
8.2.2 鐵基非均相催化劑體系研究展望 179
8.2.3 鐵基非均相催化劑應(yīng)用展望 180
參考文獻(xiàn) 180