基于負載型鐵基催化劑的非均相光芬頓技術研究進展

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　　摘  要：非均相光芬頓（Fenton）技術因具有pH適用范圍廣，鐵泥產生量少等優勢而廣泛應用于難降解有機廢水處理。鐵基化合物是一類重要的非均相光芬頓催化劑，為了進一步提高這類化合物的催化效率及穩定性，研究人員開發了一系列的負載型鐵基化合物用于非均相光芬頓催化體系。本文概述了負載型鐵基催化劑在非均相光芬頓反應中的應用，并指出了當前應用中存在的問題及未來發展趨勢。
　　關鍵詞：非均相光芬頓;負載型催化劑;鐵基化合物
　　非均相光芬頓技術因具有高氧化效率、寬pH窗口、低鐵泥產量及催化劑可再生性等優勢，近年來已成為污水處理領域的研究熱門之一。在非均相光芬頓中，應用載體構建的負載型鐵基催化劑，在保留傳統鐵基催化劑廉價、無毒、易分離和可重復使用性等優點的同時，也彌補了其催化效率較低、活性位點數量低的不足，成為極具應用前景的非均相光芬頓催化劑。本文根據載體類型，對負載型鐵基催化劑近年的最新研究成果進行報道。
　　1.有機載體
　　Nafion膜是一種全氟磺酸銀離子聚合物構成的陽離子交換膜，因其不溶于水、耐熱、耐腐蝕等優點被應用于非均相芬頓催化劑的載體。Sabhi等[1]和Parra等[2]將鐵離子負載于Nafion膜上，利用光助芬頓降解有機污染物，結果表明該反應體系能夠適應較寬的pH范圍，催化劑具有良好的催化氧化效果和穩定性。
　　張瑛潔等[3]將Fe3+/樹脂催化劑和FeOOH/離子交換脂催化劑應用于可見光降解有機污染物，制備的催化劑能夠有效降解有機污染物且穩定性良好。有機載體雖然可提高光芬頓反應的催化效率，但是成本相對較高、制作工藝繁瑣，限制了其在光芬頓領域的應用。
　　2.無機載體
　　無機材料具有較大的比表面積、抗氧化性，且價格低廉等優點，與有機材料相比，無機材料更適合做載體。目前，國內外應用最廣的無機材料為碳材料、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，將催化劑應于非均相光芬頓體系分別降解四環素和染料廢水。實驗結果表明，Fe3O4/AC催化劑具有納米結構，在實驗的過程中，催化劑對TOC的降解率均達到為43%，且具有能良好的穩定性、較少的鐵離子溶出率。León等[5]將納米零價鐵（NZVI）負載于蒙脫石上合成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，Fe-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木酚。
　　沸石因其特有的表面、孔道特征常常被應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三種結構的沸石作為載體，制備相對應的鐵基催化劑降解甲醛，發現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結構的沸石為載體制備Fe2O3/ZSM-5催化劑，pH為5時AB-47染料的降解效果最好，且該催化劑連續使用3次仍能保持較高的催化劑效率。
　　無機載體的種類繁多，除了上述幾種無機載體，SiO2、膨潤土、高嶺土等均可作為載體負載鐵氧化物，并將其應用至非均相光芬頓體系降解有機污染物。
　　3.半導體載體
　　由于紫外光僅占太陽光4%左右，對太陽光的利用率低，且設備成本高，限制了非均相光芬頓的應用，當前工作者們將具有可見光響應的半導體材料作為載體，制備了鐵基化合物/半導體復合催化劑，對降低催化劑的成本及其實際應用具有重要意義。
　　Xu等[9]研究了硫酸鹽官能團酸化的Fe2O3/TiO2納米管的光芬頓活性。根據實驗結果可知，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、煅燒溫度及時間對催化劑性能的影響。實驗結果表明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的pH范圍，提高降解效果。Zou等[12]將Fe2O3負載至富勒烯（C60）上，制成C60-Fe2O3催化劑。根據可見光芬頓降解MB實驗結果可知，C60與Fe2O3之間的協同作用，使得催化劑在較寬的pH（3.1～10.3）范圍內均表現出了優異的催化性能及良好的穩定性，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。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中的催化活性。實驗結果表明光芬頓反應降解RhB的效果更好，而且Fe3O4/g-C3N4對染料的降解能力明顯優于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動的光芬頓反應中。由此可見，以半導體為載體負載鐵氧化物時，可以構建可見光芬頓體系，降低反應成本，也為將其應用到工業中奠定了基礎。
　　4.結論
　　負載型鐵基催化劑應用于非均相光芬頓技術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。
　　參考文獻
　　[1]  Sabhi S，Kiwi J.Degradation of 2，4-dichlorophenol by immobilized iron catalysts[J].Water Research，2001，35（8）：1994-2002. 　　[2]  Gumy D，Fernández-Ibá?ez P，Malato S，et al.Supported Fe/C and Fe/Nafion/C catalysts for the photo-Fenton degradation of Orange II under solar irradiation[J].Catalysis Today，2005，101（3）：375-382.
　　[3]  張瑛潔，馬軍，趙吉等.樹脂負載高價鐵催化H2O2降解橙黃Ⅳ[J].哈爾濱工業大學學報，2010，42（4）：576-579.
　　[4]  Lan H，Wang A，Liu R，et al.Heterogeneous photo-Fenton degradation of acid red B over Fe2O3，supported on activated carbon fiber[J].Journal of Hazardous Materials，2015，285：167-172.
　　[5]  León M，Sergio M，Bussi J，et al.Application of a montmorillonite clay modifiedwith iron in photo-Fenton process.Comparisonwith goethite and nZVI[J].Environmental Science & Pollution Research International，2015，22（2）：864-869.
　　[6]  王昶，劉芳，賈青竹等.非均相UV/Fenton體系氧化降解愈創木酚的研究[J].中國造紙學報，2010，25（2）：45-49.
　　[7]  Macdonald M，Wu Z，Ruzicka J，et al.Catalytic consequences of charge-balancing cations in zeolite during photo-Fenton oxidation of formaldehyde in alkaline conditions[J].Separation & Purification Technology，2014，125（14）：269-274.
　　[8]  Kasiri M，Aleboyeh H，Aleboyeh A.Degradation of Acid Blue 74 using Fe-ZSM5 zeolite as a heterogeneous photo-Fenton catalyst[J].Applied Catalysis B Environmental，2008，84（1）：9-15.
　　[9]  Xu Z，Huang C，Wang L，et al.Sulfate Functionalized Fe2O3 Nanoparticles on TiO2 Nanotube as Efficient Visible Light-Active Photo-Fenton Catalyst[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2015，54（16）：4593-4602.
　　[10]  張冉，尤宏，吳東海.光芬頓催化劑Cu-Fe/TiO2-Al2O3的制備及其對喹啉的降解研[J].水處理技術，2015（9）：61-64.
　　[11]  Zou C，Meng Z，Ji W，et al.Preparation of a fullerene[60]-iron oxide complex for the photo-fenton degradation of organic contaminants under visible-light irradiation[J].Chinese Journal of Catalysis，2018，39（6）：1051-1059.
　　[12]  Sahar S，Zeb A，Liu Y，et al.Enhanced Fenton，photo-Fenton and peroxidase-like activity and stability over Fe3O4/g-C3N4 nanocomposites[J].Chinese Journal of Catalysis，2017，38（12）：2110-2119.
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