文章链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137044
固体废物和水污染是全球亟待解决的环境问题。利用工业固体废物处理有机污染物废水可能是解决两个问题的好策略。基于过硫酸盐(PMS)的高级氧化工艺(AOPs)在降解废水有机污染物方面受到了广泛关注。铁基催化剂具有高效、环保的优点,是一种有效的PMS活化策略。铁尾矿中含有大量的氧化铁和二氧化硅,可作为制备铁基催化剂的绿色材料。利用铁尾矿设计和制备铁基催化剂不仅有利于铁尾矿的回收利用,而且有利于推动基于“废物变财富”理念的催化剂的实际应用。
文章要点
要点一:利用铁尾矿制备了含铁介孔氧化硅材料(MFSs)
首次利用铁尾矿制备了含分散铁活性位点和氧空位的含铁介孔二氧化硅(MFSs)材料,具有有序的六边形孔道(图1)。结合X射线光电子能谱(XPS)和电子共振顺磁(ESR)分析确定了样品中氧空位和铁活性位点的存在(图2和3)。
图1
(a-d) MFS(0.2)的投射电子显微镜图像;(e, f) MFS(0.2)的元素谱图;(g, h) MFS(0.2)的HAADF-STEM图像。
图2 MFS(0.0)和MFS(0.2)的(a) X射线光电子能谱全谱图;(b)Fe 2p高分辨谱图;(c)Si 2p高分辨谱图;(d) O 1s高分辨谱图。
图3 (a) MFS(0.2)在黑暗环境下的室温固体电子共振顺磁谱图;(b) MFS(0.2)的电子共振顺磁谱图。
要点二:MFSs可以激活PMS在可见光下降解水中有机污染物
MFS(0.2)在较宽的pH范围内,对5种典型的有机污染物(Orange II、RhB、CR、MB和TC)均表现出良好的光催化降解效果和稳定性,并通过自来水和湘江水的进一步降解试验,验证了其实际应用价值。
图4 (a) MFS在无可见光照射条件下的催化活性;(b) MFS样品在可见光照射下的催化活性;(c)无机阴离子对MFS(0.2)光催化性能的影响;(d)初始pH对MFS(0.2)光催化性能的影响。反应条件:C0(Orange Ⅱ)=
100 mg /L,C0(催化剂)= 0.1 g/L,C0(PMS) = 0.5
g/L,T = 25 ± 2 ℃)。
图5 (a)不同污染物在MFS(0.2)/PMS/vis体系中的降解效果,反应条件:C0(污染物)= 50 mg/L,C0(催化剂)= 0.1 g/L,C0(PMS) = 0.5
g/L,T = 25 ± 2 ºC);(b)在相同的MFS(0.2)/PMS/vis体系连续运行5次Orange Ⅱ的降解效果,反应条件:C0(Orange Ⅱ)=
100 mg/L, C0(催化剂)= 0.1 g/L, C0(PMS)
= 0.5 g/L,T = 25 ± 2 ºC);(c)在不同天然水体中MFS(0.2)/PMS/vis体系对Orange Ⅱ的降解效果,反应条件:C0 (Orange Ⅱ)= 50
mg/L, C0 (catalyst) = 0.1 g/L, C0(PMS) = 1.0 g/L,T = 25 ± 2 ºC)。
要点三:阐明了MFS/PMS/vis体系的反应机理
通过猝灭实验、x射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(ESR)等分析,确定了MFS/PMS/vis体系的潜在反应机理,结果表明MFS/PMS/vis体系中存在自由基途径(包括硫酸盐自由基(∙SO4−)、羟基自由基(·OH)、超氧自由基(·O2−))和非自由基途径(包括单线态氧(1O2))。
图6 (a) 不同捕获剂在MFS(0.2)/PMS/vis体系中对Orange II降解效果的影响,反应条件:C0
(Orange II) = 100 mg/L,C0(催化剂)= 0.1 g/L,C0(PMS) = 0.5 g/L, T
= 25 ± 2 ºC);(b-d) MFS(0.2)/Vis、MFS(0.2)/PMS和MFS(0.2)/PMS/ Vis系统的电子顺磁共振谱图。
图7 MFS(0.2)使用前后的(a) X射线光电子能谱全谱图;(b) Fe 2p高分辨谱图。
图8 有机污染物在MFS(0.2)/PMS/vis体系中的反应机理
要点四:利用铁尾矿制备MFSs材料可有效降低原料成本
对铁尾矿制备MFSs材料的原料成本估计表明,与传统方法相比,原材料成本每公斤可降低129.8美元。
每公斤可降低129.8美元。
表1 本方法与传统方法的原材料价格对比表
Feed material
|
Costs
($ per kilogram)
|
Feed materials
|
Costs
($ per kilogram)
|
Iron tailings
|
-
|
TEOS
|
128.00
|
HCl
|
112.00
|
FeCl3(aq)
|
68.00
|
NaOH
|
48.00
|
HCl
|
96.00
|
Water
|
0.08
|
Water
|
0.08
|
P123
|
947.20
|
P123
|
947.20
|
Total
|
1107.28
|
Total
|
1237.08
|
注:所有原料及产品的成本均按市场价格计算。
该策略可为固体废物的高效利用和多相催化剂的设计与制备提供新的途径,实现固体废物处理有机污染物废水的资源化发展,对经济和环境的可持续发展具有重要意义。