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金属氧化物降解六氯苯的活性比较及催化机理研究

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大C 0 306 2021-02-01
【摘要】以氧化铝(·A12O3、y-AI2O3)、氧化钙(CaO)、过渡金属氧化物(MnO2、d-Fe2O3、y-Fe2O3、Ni2O3、CuO)为催化剂,考察了催化剂种类、添加比例等因素对六氯苯(Hexachlorobenzene,HCB)降解效果和产物组分的影响.结果表明,催化效果随催化剂添加比例的提高显著增加.在反应温度为350℃,反应时间1h,金属氧化物添加比例为100:1的条件下,碱土金属氧化物CaO及过渡金属氧化物中的oL.Fe,O和Ni,O降解活性较好,这3种氧化物对HCB的降解率分别达到65.5%、100.O%和100.0%.脱氯率,J分别为54.4%、81.9%和77.5%.HCB降解有机产物分析结果显示,8种金属氧化物与HCB样品反应产物中均存在低氯代苯.在oLFe,0和Ni,0的催化作用下有2~4氯代低氯苯检出,说明在降解过程中存在明显的逐级脱氯/加氢反应;与CaO反应后的产物中低氯代苯较少,经拉曼光谱定性分析,有无序碳的检出,说明除了脱氯/Jm氢还存在脱氯缩合反应.
  • 1引言

    (Introduction)氯代芳香族化合物广泛用作生产有机氯杀虫剂、除菌剂,主要用于化学工业,具有长期残留性、生物蓄积性、致癌性和致突变性.《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》中首批控制的12种持久性有机污染物均为氯代有机化合物.由于历史上的大量生产和使用,以及在农药生产、各类燃烧和热处理过程中的无意产生,致使这类物质在环境中广泛存在.Bailey等(2009)根据已有的数据统计显示,全球每年五氯苯的排放量为121000kg,其中,主要的排放源有固体废物焚烧、生物质燃烧、农业杀虫剂及原料的降解这3类,排放量分别为32000、45000和26000kg·a~.杨淑伟(2010)参考日本的排放因子。估算了我国2008年非故意产生的六氯苯(Hexachlorobenzene,HCB)和多氯联苯的排放清单,结果显示,我国废弃物焚烧、水泥生产、化工生产和金属冶炼等主要行业非故意产生的HCB和多氯联苯排放总量分别为529、7763kg.全球生产、积累的含氯代有机污染物已成为生态环境的重大隐患,亟待处理.

    目前。处理氯代有机污染物的方法包括封存法、高温处理法、化学脱除法和生物降解法等.其中,封存法仍存在环境泄露的情况,并不能从根本上解决污染问题;高温分解法去除效果较好,但会造成二次污染。需要进一步的无害化处理,且处理成本高;生物降解法处理速度较慢,处于研究阶段尚未有重大进展:化学脱除法是将氯代有机物脱氯生成其他无毒或低毒物质,可彻底处理废物,研究较多的处置技术包括吸附/解吸法(Huangeta1.,2003)、氧化/还原脱氯法(Xueta1.,2000)、光降解法、热催化法、机械球磨法(Tanakaeta1.,2003)、微波消解法(Cheneta1.,2016)等.Tong等(2012)对各类处置和修复氯代有机污染物的技术进行比较,发现机械球磨、光降解、微波消解等技术具有很高的去除率,但处理成本较高,成为主流技术的难度很大.相比之下,低温热降解技术因反应条件温和(200—400oC),处理量较大,具有高效、经济等优点,在《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》附件中列为降解飞灰中二晤英的最佳可行技术.

    由于金属氧化物催化剂成本较低,且具有较高的脱氯活性,近几年已成为研究的热点之一.根据催化反应原理.主要分为氧化反应和还原反应.Su等(2014)对Fe0降解八氯萘进行了研究,在产物中检测到甲酸和乙酸:Krishnamoorthy等(2000)利用多种过渡金属氧化物(Cr,O、V,0、MoO、FeO和CoO)降解1,2一二氯苯,发现产物中存在甲酸盐、醋酸盐、马来酸盐和酚盐,而且最终会转化为CO、CO,和H,O,表明在催化降解过程中发生了氧化开环反应.还原反应是利用催化剂实现对氯代有机物的加氢脱氯反应,研究表明,多种过渡金属都表现出较好的加氢脱氯活性,如Ni、Fe等(吴文海,2006;Maeta1.,2005).Huang等(2013)研究了一系列铁基尖晶石材料降解十氯联苯的途径,表明主要降解途径为脱氯加氢.Gullett等(1997)采用ca化合物(CaO、Ca(OH),)降解1,2,3,4一四氯代二晤英,结果发现.

    可能是Ca化合物促进了脱氯中问产物发生了缩聚,但产物形态未确定.通过研究发现,金属氧化物在特定条件下都表现出较好的催化脱氯活性,但对于Fe,0催化降解氯代有机物存在氧化开环和脱氯加氢2种不同的解释途径(Krishnamoorthyeta1.,2000;赵彦辉等,2015);且Misaka等(2006)研究发现,在650K温度下利用飞灰低温热降解OCDD,反应前后物料不守恒,反应后OCDD的降解率达到了99%,但气相中低氯代苯产物仅为初始OCDD的17%,表明飞灰降解二嗯英过程中还存在其他降解途径.基于各种氯代芳香族有机物结构上的相似性和降解反应过程中的相似性,本研究选取结构最简单的HCB作为模型污染物,以氧化铝(.A1,O、—A1,O)、氧化钙(CaO)、过渡金属氧化物(MnO,、.Fe,O、—Fe,O、Ni,O、CuO)为催化剂,在相同的反应条件下对HCB进行低温热处理,探究能够促进脱氯的主要活性物质及活性物质添加比例对HCB降解率的影响,考察可能存在的降解途径,为实现氯代有机物的去除奠定理论基础.

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