基于負(fù)載型鐵基催化劑的非均相光芬頓技術(shù)研究進(jìn)展

趙陽 李旭紅 徐琴平 戴美想 姜文超

摘 ?要：非均相光芬頓（Fenton）技術(shù)因具有pH適用范圍廣，鐵泥產(chǎn)生量少等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于難降解有機(jī)廢水處理。鐵基化合物是一類重要的非均相光芬頓催化劑，為了進(jìn)一步提高這類化合物的催化效率及穩(wěn)定性，研究人員開發(fā)了一系列的負(fù)載型鐵基化合物用于非均相光芬頓催化體系。本文概述了負(fù)載型鐵基催化劑在非均相光芬頓反應(yīng)中的應(yīng)用，并指出了當(dāng)前應(yīng)用中存在的問題及未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：非均相光芬頓;負(fù)載型催化劑;鐵基化合物

非均相光芬頓技術(shù)因具有高氧化效率、寬pH窗口、低鐵泥產(chǎn)量及催化劑可再生性等優(yōu)勢，近年來已成為污水處理領(lǐng)域的研究熱門之一。在非均相光芬頓中，應(yīng)用載體構(gòu)建的負(fù)載型鐵基催化劑，在保留傳統(tǒng)鐵基催化劑廉價(jià)、無毒、易分離和可重復(fù)使用性等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也彌補(bǔ)了其催化效率較低、活性位點(diǎn)數(shù)量低的不足，成為極具應(yīng)用前景的非均相光芬頓催化劑。本文根據(jù)載體類型，對負(fù)載型鐵基催化劑近年的最新研究成果進(jìn)行報(bào)道。

1.有機(jī)載體

Nafion膜是一種全氟磺酸銀離子聚合物構(gòu)成的陽離子交換膜，因其不溶于水、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于非均相芬頓催化劑的載體。Sabhi等[1]和Parra等[2]將鐵離子負(fù)載于Nafion膜上，利用光助芬頓降解有機(jī)污染物，結(jié)果表明該反應(yīng)體系能夠適應(yīng)較寬的pH范圍，催化劑具有良好的催化氧化效果和穩(wěn)定性。

張瑛潔等[3]將Fe3+/樹脂催化劑和FeOOH/離子交換脂催化劑應(yīng)用于可見光降解有機(jī)污染物，制備的催化劑能夠有效降解有機(jī)污染物且穩(wěn)定性良好。有機(jī)載體雖然可提高光芬頓反應(yīng)的催化效率，但是成本相對較高、制作工藝繁瑣，限制了其在光芬頓領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.無機(jī)載體

無機(jī)材料具有較大的比表面積、抗氧化性，且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，與有機(jī)材料相比，無機(jī)材料更適合做載體。目前，國內(nèi)外應(yīng)用最廣的無機(jī)材料為碳材料、蒙脫石、活性Al2O3、沸石等。

Kakavanadi等[4]以活性炭（AC）為載體制備Fe3O4/AC催化劑，將催化劑應(yīng)于非均相光芬頓體系分別降解四環(huán)素和染料廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4/AC催化劑具有納米結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)的過程中，催化劑對TOC的降解率均達(dá)到為43%，且具有能良好的穩(wěn)定性、較少的鐵離子溶出率。León等[5]將納米零價(jià)鐵（NZVI）負(fù)載于蒙脫石上合成Fe-PILC催化劑，與UV、H2O2形成非均相光芬頓體系，利用該體系降解2-氯苯酚。與FeOOH、NZVI相比，F(xiàn)e-PILC催化劑具有最佳的催化活性，可幾乎完全降解污染物。王昶等[6]利用浸漬法制備的Fe3+-Al2O3為催化劑，與芬頓法相比，UV/Fenton體系能夠更好的降解木素類模型物愈創(chuàng)木酚。

沸石因其特有的表面、孔道特征常常被應(yīng)用于非均相光芬頓催化劑的載體。MacDonald等[7]分別采用HY、NH4-Y、Na-Y三種結(jié)構(gòu)的沸石作為載體，制備相對應(yīng)的鐵基催化劑降解甲醛，發(fā)現(xiàn)Fe/HY催化劑的催化效果最好，并在中性條件下仍具有較好的降解效果。Kasiri等[8]利用ZSM-5結(jié)構(gòu)的沸石為載體制備Fe2O3/ZSM-5催化劑，pH為5時(shí)AB-47染料的降解效果最好，且該催化劑連續(xù)使用3次仍能保持較高的催化劑效率。

無機(jī)載體的種類繁多，除了上述幾種無機(jī)載體，SiO2、膨潤土、高嶺土等均可作為載體負(fù)載鐵氧化物，并將其應(yīng)用至非均相光芬頓體系降解有機(jī)污染物。

3.半導(dǎo)體載體

由于紫外光僅占太陽光4%左右，對太陽光的利用率低，且設(shè)備成本高，限制了非均相光芬頓的應(yīng)用，當(dāng)前工作者們將具有可見光響應(yīng)的半導(dǎo)體材料作為載體，制備了鐵基化合物/半導(dǎo)體復(fù)合催化劑，對降低催化劑的成本及其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

Xu等[9]研究了硫酸鹽官能團(tuán)酸化的Fe2O3/TiO2納米管的光芬頓活性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，酸化后的Fe2O3/TiO2在pH值為4.0～10.0之間均具有較好的催化活性。張冉等[11]以TiO2-Al2O3為載體，制備Cu-Fe/TiO2-Al2O3催化劑，考察了制備過程中Cu、Fe的比例、煅燒溫度及時(shí)間對催化劑性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Cu與Fe的摩爾比為1：5、200℃煅燒5h制成的催化劑性能最佳;在中性條件下，Cu-Fe/TiO2-Al2O3對喹啉的降解率優(yōu)于Fe/TiO2-Al2O3，其降解率分別為94%、58%，說明Cu的存在可以拓寬光芬頓反應(yīng)的pH范圍，提高降解效果。Zou等[12]將Fe2O3負(fù)載至富勒烯（C60）上，制成C60-Fe2O3催化劑。根據(jù)可見光芬頓降解MB實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，C60與Fe2O3之間的協(xié)同作用，使得催化劑在較寬的pH（3.1～10.3）范圍內(nèi)均表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化性能及良好的穩(wěn)定性，MB的脫色率及礦化率分別為98.9%、71.0%;且溶液中鐵離子的含量極少，可忽略不計(jì)。Sahar等[13]通過靜電自組裝備制備了Fe3O4/g-C3N4，并研究了其在芬頓及光芬頓反應(yīng)中的催化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光芬頓反應(yīng)降解RhB的效果更好，而且Fe3O4/g-C3N4對染料的降解能力明顯優(yōu)于Fe3O4和g-C3N4。

α-Fe2O3@石墨烯（GO）、FeOOH@ g-C3N4、Fe3O4-GO均可作為催化劑參與到可見光驅(qū)動(dòng)的光芬頓反應(yīng)中。由此可見，以半導(dǎo)體為載體負(fù)載鐵氧化物時(shí)，可以構(gòu)建可見光芬頓體系，降低反應(yīng)成本，也為將其應(yīng)用到工業(yè)中奠定了基礎(chǔ)。

4.結(jié)論

負(fù)載型鐵基催化劑應(yīng)用于非均相光芬頓技術(shù)有利于提高催化效率、拓寬pH適用范圍、降低鐵溶出率。然而，簡化制備工藝、降低催化劑成本、強(qiáng)化催化劑的回收利用以及提高對光源的利用效率仍是未來亟待解決的問題。

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