間甲酚是煤化工廢水中的主要污染物，具有強(qiáng)烈的腐蝕性和生物毒性，被美國EPA列入環(huán)境優(yōu)先控制污染物黑名單，也是我國重點(diǎn)控制的污染物之一，但是傳統(tǒng)廢水處理技術(shù)無法對其進(jìn)行有效降解[1, 2, 3].

　　高級氧化技術(shù)在近20年來不斷興起，其可有效降解各種有機(jī)物，尤其是催化臭氧氧化技術(shù)[4, 5, 6, 7]. 催化臭氧氧化是一項(xiàng)可高效降解有機(jī)物的綠色低碳技術(shù). 但是當(dāng)臭氧單獨(dú)降解水中有機(jī)污染物時，存在以下缺陷： 與很多有機(jī)化合物的反應(yīng)速率低、 氧化不完全、 形成有害副產(chǎn)物[8,9]. 而催化臭氧氧化技術(shù)可以有效避免上述缺點(diǎn)，其包括均相催化臭氧氧化和非均相催化臭氧氧化，但均相催化臭氧氧化由于存在金屬離子催化劑的回收對水體的二次污染等問題，在水處理應(yīng)用中受到諸多限制; 非均相催化臭氧氧化包括對有機(jī)物的吸附和催化雙重作用，它的主要優(yōu)勢在于提高了對水中有機(jī)物的降解速率和礦化程度，并且容易從廢水中分離，因此被廣泛用于飲用水和廢水處理領(lǐng)域[10, 11, 12]. 催化臭氧氧化在廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用的研究很多，常用的催化臭氧氧化固體催化劑有以下4種： 過渡金屬氧化物[13]、 金屬負(fù)載在金屬/非金屬氧化物[14]、 礦物質(zhì)[15]、 活性炭[16].

　　MCM-41具有有序六方孔道結(jié)構(gòu)和較高的比表面積，在MCM-41中引入過渡金屬可提高其催化活性[17, 18, 19, 20, 21]. 結(jié)合反應(yīng)體系中分子尺寸數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可知臭氧分子大小為0.2 nm，間甲酚分子大小為1.2 nm，從BET表征數(shù)據(jù)可知Fe-MCM-41孔徑為3 nm左右，所以臭氧氧化和催化臭氧氧化反應(yīng)既可以發(fā)生在催化劑孔道內(nèi)，也可以發(fā)生在催化劑表面，因此在反應(yīng)需要等量活性位點(diǎn)下使用MCM-41作為催化劑載體可大大降低載體用量. 過渡金屬氧化物由于存在變價通常被選作氧化還原反應(yīng)催化劑，鐵作為催化活性物質(zhì)在催化臭氧氧化廢水中被廣泛應(yīng)用[10]. 本研究首次應(yīng)用Fe-MCM-41催化臭氧氧化間甲酚廢水. 同時通過鐵磁性實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出良好的磁性，可通過磁性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)對催化劑的回收利用，同時由于鐵的負(fù)載量較低，因此不會對水體造成二次污染.

　　本研究對于拓寬Fe-MCM-41在催化臭氧氧化間甲酚廢水中的應(yīng)用具有重要意義.

　　1 材料與方法

　　1.1 催化劑的制備

　　1.1.1 MCM-41的制備

　　稱取7.889 5 g Na2SiO3 ·9H2O(AR，上海市四赫維化工有限公司)溶解于30 mL去離子水中，110℃下水熱處理6 h得到A. 將2.024 8 g CTAB(AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)溶解于20 mL去離子水中，40℃下加熱攪拌得澄清溶解物B. 而后將A逐滴加入B中得溶膠C，滴加完成后混合攪拌1 h. 用1mol ·L-1的H2SO4調(diào)整C的pH到10左右，混合攪拌2 h. 將C轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中，140℃下水熱晶化48 h. 冷卻至室溫后過濾、 洗滌，110℃下干燥12 h. 將得到的樣品在550℃空氣氣氛中焙燒6 h，升溫速率為2℃ ·min-1，最終得到MCM-41.

　　1.1.2 Fe-MCM-41的制備

　　在將B(此時的CTAB用15 mL水溶解)加入A前，首先將一定量Fe(NO3)3 ·9H2O(AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)溶解于5 mL水中再逐滴加入B，其他方法同上，得到鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為ω(%)的Fe-MCM-41.

　　1.2 催化劑的表征

　　X-射線衍射測試采用德國布魯克X射線衍射儀(Bruker D8 Focus 型)，CuKα輻射源，寬角度掃描范圍2θ為10°~90°,小角度掃描范圍2θ為1°~6°. 采用H2-TPR研究催化劑表面氧化物，在浙江泛泰儀器有限公司TPR裝置上進(jìn)行，取一定量樣品在室溫下用N2吹掃，基線走平后換H2 ∶N2=5 ∶95(體積比)，50mL ·min-1吸附至飽和，10℃ ·min-1升溫至850℃，記錄H2-TPR圖譜. 采用Topolpgic 500A 型穆斯堡爾譜儀分析反應(yīng)前后催化劑中Fe物種的價態(tài)變化. 催化劑比表面積和孔結(jié)構(gòu)使用Quantachrome公司生產(chǎn)的QUADRASORB SI型儀器，在77K溫度下進(jìn)行N2吸附. 在吸附測試之前，載體或催化劑在300℃下真空處理3 h，最后通過N2吸附等溫線和BET方程計(jì)算得到載體或催化劑比表面積.

　　1.3 催化劑的評價

　　催化臭氧氧化反應(yīng)在250 mL的鼓泡塔中進(jìn)行，反應(yīng)裝置見圖 1，實(shí)驗(yàn)時待臭氧發(fā)生器穩(wěn)定后再開始實(shí)驗(yàn)，給出氧氣流量和臭氧質(zhì)量濃度均為反應(yīng)裝置進(jìn)口處穩(wěn)定數(shù)據(jù)，以保證每組實(shí)驗(yàn)平行. 反應(yīng)過程中每隔5 min取樣4 mL，共取樣7次，每組實(shí)驗(yàn)均從反應(yīng)開始即開始計(jì)時，在反應(yīng)器頂端采用帶0.45 μm濾膜的注射器快速取樣而后測定每個取樣點(diǎn)出水的間甲酚質(zhì)量濃度和反應(yīng)結(jié)束時的TOC質(zhì)量濃度. 間甲酚質(zhì)量濃度采用大連依利特分析儀器有限公司HPLC-P1201型高效液相色譜進(jìn)行分析，所用色譜柱為C18色譜柱(4.6 mm×250 mm,5 μm)，流動相為甲醇 ∶水=80 ∶20(體積比)，流速為1.0mL ·min-1，檢測波長為272 nm; TOC質(zhì)量濃度使用島津TOC-VCPH/CPN分析儀進(jìn)行分析測定.

　　圖 1 反應(yīng)裝置示意

　　1.4 催化劑穩(wěn)定性分析

　　催化臭氧氧化反應(yīng)后Fe的溶出量采用美國PerkinElmer 公司生產(chǎn)的Optima 7300DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)進(jìn)行分析.

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 催化劑表征

　　2.1.1 XRD

　　圖 2為水熱合成法所制MCM-41和Fe-MCM-41催化劑的XRD圖譜. 從中可以看出，所有催化劑均有明顯的MCM-41衍射峰，在2.2°左右有一個強(qiáng)衍射峰，說明該材料的結(jié)晶度很高. 在3.7°和4.3°左右各有一個弱衍射峰，說明樣品具有六方對稱性[22]. 綜上所述，該催化劑為結(jié)晶度較高的介孔材料. 隨著鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，強(qiáng)峰逐漸減弱，并且次級峰也相應(yīng)減弱，在鐵的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.2%時，3.7°和4.3°左右的峰基本消失，這是因?yàn)橐�入了鐵使分子篩孔道的長程有序性和結(jié)晶度減弱的緣故[23]，鐵的引入，使得純硅分子篩MCM-41的骨架產(chǎn)生變化，影響到孔道的六方結(jié)構(gòu). 此外隨著鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加樣品衍射峰逐漸向大角度方向偏移，說明MCM-41結(jié)構(gòu)晶面間距離減小.

　　圖 2 MCM-41和Fe-MCM-41的XRD衍射圖譜

　　2.1.2 H2-TPR

　　由圖 3可以看出，MCM-41介孔分子篩在50~850℃內(nèi)沒有出現(xiàn)還原峰，表明SiO2在該溫度范圍內(nèi)不會被還原. 隨著鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，低溫區(qū)域的還原峰面積逐漸增大，且鐵氧化物的還原峰逐漸向右偏移，這是由于鐵與介孔分子篩MCM-41晶相相互作用逐漸增強(qiáng)以及鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大造成的. 兩個還原峰是由于鐵存在變價，發(fā)生了分步還原： 低溫出現(xiàn)的峰為Fe2O3或Fe3O4被還原至FeO階段，而更高溫度的還原峰為FeO被還原為Fe的階段[24]. 對催化劑進(jìn)行鐵磁性實(shí)驗(yàn)證明： 取定量8.2% Fe-MCM-41于樣品瓶中，一側(cè)放置磁鐵，搖勻后靜置12 h，結(jié)果如圖 4，結(jié)果表明催化劑具有良好的磁性，因此可以采用磁鐵進(jìn)行催化劑回收. 但是晶體表面Fe的存在價態(tài)需進(jìn)一步用穆斯堡爾譜儀分析反應(yīng)前后催化劑中鐵物種的價態(tài)變化，因?yàn)棣?Fe2O3和Fe3O4都具有鐵磁性.

 

　　圖 3 MCM-41和Fe-MCM-41的H2-TPR圖譜Fig. 3 H2-TPR profiles of MCM-41 and Fe-MCM-41

　　圖 4 8.2% Fe-MCM-41的鐵磁性

　　2.1.3 穆斯堡爾譜

　　圖 5為4.4% Fe-MCM-41催化劑室溫下的穆斯堡爾譜圖，表 1為Fe-MCM-41催化劑的穆斯堡爾參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明反應(yīng)前后催化劑中鐵的價態(tài)并未發(fā)生變化，均為Fe3+，結(jié)合鐵磁性實(shí)驗(yàn)，表明Fe在介孔分子篩表面僅以γ-Fe2O3形式存在，且反應(yīng)前后保持不變.

 

　　圖 5 室溫下催化劑的穆斯堡爾譜

　　表 1 催化劑的穆斯堡爾參數(shù)

　　2.1.4 BET 由表 2可以看出，隨著鐵摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，該介孔分子篩的比表面積、 孔容、 平均孔徑整體上呈下降趨勢，Lan等[25]在Fe-MCM-41催化臭氧氧化p-CBA的研究中也發(fā)現(xiàn)了這種規(guī)律. 表明了MCM-41材料比表面積和孔容孔徑的可調(diào)控性.

　　表 2 MCM-41和Fe-MCM-41的BET

　　2.2 催化劑評價

　　2.2.1 鐵摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

　　本研究分析了鐵摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)對間甲酚轉(zhuǎn)化率和TOC去除率的影響，結(jié)果見圖 6. 由圖 6(a)可以看出隨著反應(yīng)時間延長，間甲酚轉(zhuǎn)化率逐漸升高，其中對間甲酚轉(zhuǎn)化率效果最好的催化劑為1.8% Fe-MCM-41，在反應(yīng)25 min時，500mg ·L-1的間甲酚可100%轉(zhuǎn)化.

　　O2流量： 80mL ·min-1; O3質(zhì)量濃度： 45mg ·L-1;催化劑質(zhì)量濃度：0.1 g ·L-1; 模型廢水原始pH值： 6;初始間甲酚質(zhì)量濃度： 500mg ·L-1圖 6 鐵的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)對間甲酚轉(zhuǎn)化率和TOC去除率的影響

　　由圖 6(b)可以看出Fe-MCM-41中鐵的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)對TOC去除率影響較大，其中4.4% Fe-MCM-41對TOC去除率最大，達(dá)26.8%; 8.2% Fe-MCM-41對TOC去除率最小. 結(jié)合BET表征結(jié)果： 4.4% Fe-MCM-41催化劑的孔容相比其他鐵摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的催化劑大，更有利于臭氧和中間產(chǎn)物的傳質(zhì)并發(fā)生反應(yīng). 2.2.2 催化劑質(zhì)量濃度的影響

　　本研究分析了催化劑質(zhì)量濃度對間甲酚轉(zhuǎn)化率和TOC去除率的影響，結(jié)果見圖 7. 由圖 7(a)可以看出間甲酚在Fe-MCM-41催化劑上存在先吸附后脫附的過程，30 min時盡管有些催化劑沒有達(dá)到吸附平衡，但吸附量均為5%左右，相比間甲酚轉(zhuǎn)化率所占比例很小，催化劑最佳投加量為0.1g ·L-1，30 min時即可把500mg ·L-1的間甲酚100%轉(zhuǎn)化.

　　O2流量： 80mL ·min-1; O3質(zhì)量濃度： 45mg ·L-1; 模型廢水原始pH值： 6; 初始間甲酚質(zhì)量濃度： 500mg ·L-1圖 7 催化劑質(zhì)量濃度對間甲酚轉(zhuǎn)化率和TOC去除率的影響

　　由圖 7(b)可以看出催化劑質(zhì)量濃度對TOC去除率影響較大，催化劑質(zhì)量濃度過多和過少都不利于TOC的去除，因?yàn)榇呋瘎┵|(zhì)量濃度過多容易發(fā)生團(tuán)聚從而降低了催化劑的比表面積，與臭氧有效接觸面積減小，催化效果下降; 催化劑質(zhì)量濃度過小催化活性位點(diǎn)偏少，也會降低催化效果，由反應(yīng)結(jié)果可知最佳催化劑投加量為0.1g ·L-1.

　　2.2.3 底物質(zhì)量濃度的影響

　　本研究分析了底物質(zhì)量濃度對間甲酚轉(zhuǎn)化率和TOC去除率的影響，結(jié)果見圖 8. 由圖 8(a)可以看出，間甲酚初始質(zhì)量濃度和其轉(zhuǎn)化率呈反相關(guān)，當(dāng)間甲酚初始質(zhì)量濃度為10mg ·L-1時，5 min即可全部轉(zhuǎn)化; 間甲酚初始質(zhì)量濃度為100mg ·L-1時，15 min可全部轉(zhuǎn)化; 間甲酚初始質(zhì)量濃度為500mg ·L-1時，30 min才能全部轉(zhuǎn)化.

　　O2流量： 80mL ·min-1; O3質(zhì)量濃度： 45mg ·L-1; 模型廢水原始pH值： 6; 4.4% Fe-MCM-41催化劑質(zhì)量濃度：0.1g ·L-1圖 8 間甲酚質(zhì)量濃度對間甲酚轉(zhuǎn)化率和TOC去除率的影響

　　由圖 8(b)可以看出當(dāng)初始間甲酚質(zhì)量濃度為10mg ·L-1時，30 min時TOC去除率達(dá)53%，當(dāng)初始間甲酚質(zhì)量濃度大于100mg ·L-1時，TOC去除率為26%左右.

　　2.3 TOC去除率分析

　　臭氧在反應(yīng)中起的作用以4.4% Fe-MCM-41為例，由圖 6(b)可知載體+臭氧的TOC去除率為13.8%，催化劑+臭氧的TOC去除率為26.8%，由圖 7(b)可知載體對TOC的吸附為3.0%. 從而計(jì)算出每部分對TOC去除的貢獻(xiàn)率如圖 9.

 

　　圖 9 TOC去除率分析

　　從圖 9可知，載體吸附作用在TOC去除率中貢獻(xiàn)最小，TOC的去除主要是臭氧氧化和催化臭氧氧化的作用，且二者的貢獻(xiàn)率近似為1 ∶1，說明臭氧在反應(yīng)中既起到了直接氧化作用也起到了間接氧化作用. 從圖 6的間甲酚轉(zhuǎn)化率和TOC去除率結(jié)果可知，間甲酚轉(zhuǎn)化率30 min可達(dá)100%，但TOC的去除率整體較低，說明臭氧氧化或是催化臭氧氧化對間甲酚礦化作用較低.

　　2.4 催化劑穩(wěn)定性

　　使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)分析4.4% Fe-MCM-41在2.2.1節(jié)反應(yīng)條件下Fe的溶出量為0.06 mg ·L-1，催化劑投加量為0.1g ·L-1，計(jì)算得出鐵的溶出率為1.36%，催化劑溶出量較少，另外反應(yīng)前后催化劑中鐵的價態(tài)并未發(fā)生變化，說明該催化劑具有良好的穩(wěn)定性.

　　2.5 反應(yīng)機(jī)制

　　結(jié)合2.1.3節(jié)和2.3節(jié)分析結(jié)果可知Fe-MCM-41在該反應(yīng)中確實(shí)起到了催化臭氧氧化作用，反應(yīng)機(jī)制如下(圖 10)： 首先γ-Fe2O3吸附間甲酚(A)生成Fe2O3A，而后Fe2O3A內(nèi)部發(fā)生電子轉(zhuǎn)移生成活性物質(zhì)FeO ·A. FeO ·A不穩(wěn)定解吸為A ·和FeOOH，F(xiàn)eOOH在酸性環(huán)境下催化O3產(chǎn)生 ·OH，同時自身被氧化為初始構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)催化作用. 整個催化過程產(chǎn)生的 ·OH及O3本身實(shí)現(xiàn)對間甲酚的有效降解.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 10 金屬氧化物催化臭氧氧化有機(jī)物可能的反應(yīng)機(jī)制[10]

　　3 結(jié)論

　　(1)鐵的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Fe-MCM-41在催化臭氧氧化中的活性具有較大影響，最佳摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.4%.

　　(2)反應(yīng)前后催化劑中Fe的價態(tài)并未發(fā)生變化，均為Fe3+，催化臭氧氧化反應(yīng)后催化劑中Fe的溶出率為1.36%，說明催化劑具有良好的穩(wěn)定性. 結(jié)合鐵磁性實(shí)驗(yàn)，表明該催化劑的活性組分為γ-Fe2O3.

　　(3)臭氧在反應(yīng)中既有直接氧化作用也有間接氧化作用，且二者比近似為1 ∶1.

　　(4)在模型廢水原始pH值下，當(dāng)間甲酚起始質(zhì)量濃度為500mg ·L-1，催化劑質(zhì)量濃度為0.1g ·L-1時，30 min內(nèi)間甲酚轉(zhuǎn)化率為100%，TOC去除率為26.8%.(來源及作者：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 孫文靜、王亞旻、衛(wèi)皇曌、王森、李旭寧、李敬美、孫承林 中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司 安路陽)