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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)光源的利用效率仍是未來亟待解決的問題。

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