广东工业大学孙水裕教授课题组：探究核壳结构高效处理化学镀镍废水

广东工业大学孙水裕教授课题组：探究核壳结构高效处理化学镀镍废水

论文 DOI: 10.1016/j..2022。

图形摘要

简单的介绍

近日，广东工业大学孙水宇教授课题组在《 of 》上发表题为《High-of-using core-shell-C@with: and》的研究论文（DOI: 10.1016/j..2022.），探究了在催化臭氧化与螯合沉淀联合工艺下，核壳-C@Al2O3复合材料对实际化学镀镍废水中有机Ni配合物的催化降解、去除行为及机理。通过构建荧光蛋白大肠杆菌，分析了该系统处理化学镀镍废水前后的毒性变化。研究人员将金属阳离子按一定比例负载在力学性能稳定的Al2O3颗粒上，联合催化臭氧化和螯合沉淀工艺去除化学镀镍废水中的总Ni，旨在建立一种新型的高效催化处理体系，提高臭氧利用率和总Ni的去除率。 通过材料表征、污染物降解动力学、自由基鉴定、猝灭实验及毒性测试，确定双金属负载可提高材料的臭氧吸附性能和催化活性位点。研究表明有机Ni配合物的降解是以1O2和•OH为主的分解机理，揭示了催化剂的催化氧化机理，提出了有机复合污染物的分解和螯合沉淀机理，并对处理前后废水的毒性进行了评价。

全文概览

为了解决化学镀镍废水中有机Ni配合物稳定性高且难降解的问题，本研究合成了一种能高效利用并催化臭氧降解有机Ni配合物的复合材料。该材料以Al2O3为载体，碳化后负载铁锰氧化物。该材料具有介孔结构，可以在保持催化剂刚性和稳定性的同时增加孔容和比表面积，使其对O3和污染物具有较高的吸附容量。研究通过实验揭示了催化剂的催化机理、有机重金属配合物的分解原理及途径，并对处理后的废水进行了毒性评价。本研究为臭氧催化剂的合成及提高臭氧在化学镀镍废水中的处理和工业应用提供了参考。

介绍

化学镀镍废水中含有机-Ni复合污染物，难降解且毒性较大，传统的物理化学方法难以去除。臭氧化作为一种​​高效的高级氧化工艺，被广泛应用于各类工业废水的处理。但臭氧在水中的溶解度和利用率较低，因此引入非均相催化剂，改善催化活性位点和臭氧吸附性能，从而提高反应体系的催化氧化效率。本研究以Al2O3颗粒为载体，采用两步浸渍焙烧法将铁、锰过渡金属和碳层负载于Al2O3上，合成了-C@Al2O3催化剂。

图文导览

材料特性

图 1. MDCR 中的 TNi(a)、TNi(b)、COD(c) 和 TOC(d) 的一级模型。pH 值为 9.3，与 ENPE 的比例 (RCE)：1:2.5，O3 气体流量 (VO3)：1.0 L min-1，MDCR：10 mg L-1，TNi：7.465 mg L-1，COD：422.8 mg L-1，TOC：127.5 mg L-1

总Ni去除动力学测试表明,-C@Al2O3/O3-MDCR体系的总Ni去除率分别是C@Al2O3/O3-MDCR体系的1.7倍、Al2O3/O3-MDCR体系的2.2倍,且-C@Al2O3/O3-MDCR体系在10 min内去除了99.3%的总Ni。

图 2. 在 -C@Al2O3/O3-MDCR 条件下六次运行的 ENPE 中的 TNi(a) 和 Fe 和 Mn 离子(b)；COD(c) 和 TOC(d)。

经过6次重复试验，-C@Al2O3催化性能保持高度稳定，铁、锰离子溶出量均小于0.05mg/L，总Ni去除率稳定在99%以上，COD去除率保持在87%以上，出水水质中重金属及COD浓度均达到国家排放标准。

催化机理

图 3. -C@ 的全扫描 XPS（a）；-C@ 的 Al 2p（b）；Fe 2p（c）；Mn 2p（d）；C 1s（e）和 O 1s（f）的高 XPS。

图 4.-C@Al2O3/O3-MDCR 中•OH (a)、•O2-(b)、1O2(c) 的 EPR 及其自旋；-C@Al2O3/O3-MDCR 中 TNi 的 EPR (d)。：pH 值为 7.0，与 ENPE 的比例 (RCE)：1:1.25，[TNi]0= 7.465 mg L-1，VO3：1.0 L min-1，[MDCR]：10 mg L-1，：[TBA] = [p-BQ] = [FFA] = 0.5 mM L-1，= 26 ± 1.5 °C。

XPS谱分析和自由基猝灭实验表明,反应体系中的Fe和Mn(或它们的化合物)以及氧空位是参与催化氧化反应的主要活性位点,而体系中生成的1O2和•OH在有机Ni配合物的分解过程中起主要作用,•O2-也参与了有机配合物的氧化分解。

图 5. 使用 -C@。

铁、锰之间的协同作用促进和催化水中O3转化为氧化性更强的自由基，且大部分自由基在材料表面生成；同时C层表面形成氧空位及CO、C-OH结构，也为O3催化分解为自由基提供了高活性位点。

毒性评估

图 10. 纯 FPE 和 ENPE（a）、纯 FPE 和 ENPE 经 -C@Al2O3/ 处理后（b）、纯 FPE 和 ENPE 经 -C@Al2O3/O3-MDCR 处理后（c）12 小时的 3D-EEM；纯 FPE 和 ENPE 经 -C@Al2O3/O3-MDCR 处理 3 天后的 3D-EEM。

研究人员通过构建荧光蛋白大肠杆菌来评估此体系下化学镀镍废水的毒性变化。荧光蛋白大肠杆菌在3D-EEM荧光光谱中特定波长处呈现较强的荧光响应信号，其毒性越大，荧光响应值越弱。研究发现，经-C@Al2O3/O3-MDCR体系处理后，上述化学镀镍废水的毒性可明显降低。

概括

本工作合成并表征了一种核壳结构-C@Al2O3臭氧催化材料，从实用性和臭氧利用效率等方面揭示了该材料具有高催化活性和反应速率的机理。研究通过材料表征、污染物降解动力学、自由基鉴定、猝灭实验和毒性测试等方法，揭示了体系中催化臭氧的作用机理、有机Ni配合物的分解原理及潜在途径以及处理前后废水的毒性。本工作为催化臭氧化工艺设计和应用处理工业废水提供了参考思路。

关于作者

第一作者：关志杰，广东工业大学环境科学与工程学院博士研究生，导师为孙水玉教授。主要研究方向为工业废水污染控制化学、高级氧化技术及其在污水、固废处理与资源化利用中的应用。以第一作者或合作者身份在Of The Total、Of、Of等期刊发表多篇SCI论文。

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通讯作者：孙水玉，博士，二级教授，博士生导师，国务院政府专家特殊津贴获得者。现担任广东环保工程职业学院院长；广东工业大学导师；广东省重金属污染防治与职业教育重点实验室主任；广东省教育厅“资源综合利用与清洁生产”科研重点实验室主任；广东省高等学校环境科学与工程专业本科教学指导委员会委员；全国环保职业教育行业指导委员会委员。主要从事固体废物污染控制、处理处置与综合利用新技术、传统行业水污染控制的化学和生物原理研究。主持纵向和横向科研项目120余项，包括国家重点研发计划专项子课题、国家自然科学基金、国家“九五”重点科技攻关课题等。 在国内外期刊发表学术论文220余篇，出版专著3部，研究成果获国家科技进步一等奖1项、省部级科技进步奖6项、国家发明专利9项。

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参考文献：Guan Z, Guo Y, Mo Z, et al. High-of-using core-shell -C@ with: and [J]. of , 2022: .

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