人为生活生产向近岸海域排放的污染物威胁生态环境和人类健康,重金属污染的治理是环境问题的重点和难点。传统工艺存在效率低、成本高和副产品多等局限性。光催化以光为能源,是一种新兴的催化氧化和高效的清洁技术,广泛应用于水中多种污染物的处理。由于光催化在环境修复中具有优异的适应性,可用于重金属的去除。综述海洋等水体各重金属污染现状和对人类健康的影响;相对于其他处理技术,分析探究光催化技术处理海水重金属污染物的反应原理及优势;总结不同催化剂去除水体中各种重金属污染的最新进展及去除效果,并针对光催化重金属现存问题提出相应建议;以期为光催化处理海洋重金属污染的检测及风险防控提供科学指导及理论依据。
通过调节Mo和S物质的量比,采用水热法合成多缺陷MoS2纳米片,利用SEM和XRD对样品的形貌和结构进行表征,并以诺氟沙星为目标污染物评估样品的压电催化性能。结果表明,与无缺陷MoS2相比,多缺陷MoS2表现出优异的压电催化活性。在超声辐照下,Flaws MoS2(1∶5)纳米片11 min内对诺氟沙星的降解率达99.69%,降解速率常数为6.78 min-1。多缺陷MoS2纳米片优异的压电催化性能主要归因于应变诱导的压电场引起的电子-空穴对的高效分离。活性物质捕获实验表明,羟基自由基(·OH)是降解诺氟沙星的主要活性氧物种。此外,多缺陷MoS2纳米片的超高降解效率可应用于实际的环境修复。
利用低成本的原料生产高催化剂性能的分子筛一直是业界关注的焦点。将工业废物资源化利用与分子筛制备相结合,可达到一举两得的效果。以NaOH处理宁东能源化工基地粉煤灰,得到的硅铝凝胶作为ZSM-5分子筛合成原料的铝源和部分硅源。通过对NaOH用量考察,发现ZSM-5分子筛合成时不再需要额外添加NaOH。在硅铝凝胶中补充硅溶胶,并按比例加入模板剂(TPABr)和水即可合成ZSM-5分子筛。采用4水平9因素的均匀设计,考察晶化温度、晶化时间、模板剂及水用量等因素的影响。二次回归优化后,得出最佳合成条件。在晶化时间60 h、晶化温度190 ℃、TPABr用量5.4 g和水用量18 mL最佳条件下,对再次合成的ZSM-5分子筛进行表征,产品为长度(35~40) μm长条形纯净无杂晶的ZSM-5分子筛。并将制得的ZSM-5分子筛催化剂用于制备乙酸乙酯,在反应温度130 ℃、反应时间90 min、酸醇比1∶3和催化剂用量5%条件下,转化率最高为62%,产率为55%。
多环芳烃加氢饱和既有利于环境保护,还能促进煤焦油的高效率利用。以煤焦油中(210~360) ℃富含2-4环多环芳烃馏分为研究对象,采用加氢饱和催化剂与分子筛催化剂作为双效耦合催化剂,对不同反应条件下煤焦油催化加氢反应性能进行研究。结果表明,双效耦合催化剂具备分子筛催化剂与加氢饱和催化剂的催化特性,同时具备两者相互作用较小的稳态结构,且其在多环芳烃催化加氢反应中的活性介于分子筛催化剂和加氢饱和催化剂之间;活性金属组分Ni和Mo在催化剂表面分布稳定均匀。各操作条件对多环芳烃加氢性能存在不同程度的影响,双效耦合催化剂耦合比为4∶6时,多环芳烃催化加氢性能优于其他耦合比催化剂,在反应温度380 ℃、氢初压8.0 MPa、反应时间60 min和剂油比5∶100条件下,具有较好的加氢性能。馏分油多次选择性加氢后,饱和分量明显增加,胶质和芳香分量明显减少。
采用离心喷雾干燥机合成公斤级球形黏土(海泡石、硅藻土和凹凸棒石)介孔复合材料。并对球形黏土介孔材料进行X射线衍射结构分析、比表面积-孔径分布和透射电镜测试,表明球形黏土介孔材料具有介孔结构和高度有序孔道。扫描电镜分析结果表明,3种新材料球体度均匀、分散性好。研究雾化器转速和反应物配比对球形黏土介孔复合材料粒形的影响,得到最佳喷雾干燥条件。考察海泡石、硅藻土和凹凸棒石球形黏土介孔复合材料负载聚乙烯催化剂的组成、结构和微观形貌。结果表明,3种黏土介孔复合材料在负载聚乙烯催化剂后仍然保持较好的微观形貌及其特有的介孔材料孔道结构。离心喷雾干燥制备球形介孔材料的实验优化条件:进、出口温度200 ℃和100 ℃,黏土介孔浆料浓度30%,雾化器转速12 000 r·min-1。以3种介孔复合材料作为载体负载聚乙烯催化剂进行高压乙烯聚合小试试验,结果表明,3种催化剂对乙烯聚合的活性(4 000~4 300)gPE·(gcat·h)-1均优于当前工业用载体955硅胶负载同样茂金属后的乙烯聚合的活性1 005 gPE·(gcat·h)-1。聚乙烯粉料重要物性参数堆密度、熔融指数、平均粒径D50及碎粉率均优于工业用955硅胶得到的粉料物性。
采用MoCl5为核心的齐格勒-纳塔催化剂合成降冰片烯-四环十二烯的开环易位聚合物,实现稳定的100%单体转化率,凝胶率0%。并采用Al2O3负载的Ru催化剂和SiO2/Al2O3负载的Ni金属催化剂对相同的降冰片烯-四环十二烯开环易位聚合物进行非均相加氢,可实现100%的加氢率,且简单过滤即可将催化剂与聚合物溶液完全分离。两种加氢催化剂的产品具有不同的性质,Ni负载催化剂最佳反应条件:催化剂含量10%、反应温度190 ℃、初始氢气压力4 MPa、反应时间2 h,加氢产物的熔融指数76 g·min-1,玻璃化转变温度126 ℃;Ru负载催化剂最佳反应条件:催化剂含量2%、反应温度180 ℃、初始氢气压力4 MPa、反应时间2 h,加氢产物的熔融指数10 g·min-1,玻璃化转变温度131 ℃。
人工湿地(CW)和微生物燃料电池技术(MFC)是两种具有潜力的环境技术,用于水污染治理和可再生能源生产。目前大部分研究主要针对上流式人工湿地-微生物燃料电池进行探索,很难用到实际的人工湿地上。主要以垂直流人工湿地为研究对象,研究复合垂直流人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的产电性能和水质净化作用。结果表明,在相同的垂直流CW-MFC系统中,产电性能和水体污染物的含量有一定的关系; 在模拟自然的水流情况下,CW-MFC1阳极生物氧化产生的质子和电子迁移至CW-MFC2的阴极也能同其电子受体发生氧化还原反应,从而产生电压电流,且其电压高于单一垂直流CW-MFC系统;模拟自然情况下的CW-MFC系统对各项水质指标的去除都有不错的去除效果,其中磷酸盐和总磷的去除率为97.5%和97.9%,氨氮和总氮的去除率为86.4%和66%,COD去除率最低为36.5%,表明复合垂直流CW-MFC系统对水体污染物的去除起明显的效果。
采用电沉积合成法制备负载在镍泡沫(NF)上的双金属氧化物Fe3O4/CuO催化材料,将其应用于双室微生物燃料电池(MFC)的阴极,通过电化学去除废水中化学需氧量(COD)、氨氮($\mathrm{NH}_4^{+}$-N)和磷(P)污染物。通过电化学测试分析制备的Fe3O4/CuO-NF催化材料具有明显的氧化还原峰和更低的电荷转移电阻,表现出更高的催化活性。MFC系统运行期间最高输出电压达695 mV,最大输出功率密度达576 mW·m-2。实验结果显示,镍泡沫基双金属催化材料耦合微生物燃料电池系统对COD、$\mathrm{NH}_4^{+}$-N和P具有高效的降解性能,去除率分别为92.15%、95.46%和97.77%。研究表明,采用Fe3O4/CuO-NF耦合MFC系统不仅具有良好的产电性能,在有机废水的处理中也表现优异,该方法更加经济、能耗低、效率高,应用前景广阔。