改性多孔生物炭活化过一硫酸盐去除水中2,4-二氯苯酚的性能与机理研究.pdf

摘要

氯酚类化合物（CPs）广泛应用于农业和工业生产中，其在自然环境中经常被检

测到。由于它们具有难生物降解性，高毒性，致癌性，对人类健康和生态系统的长期

稳定的发展构成巨大威胁。2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）是一种典型的氯酚化合物，化学

稳定性强，半衰期长，在水环境中容易长期存在。因此，迫切需要开发一种高效、经

济、环保的2,4-DCP处理技术。本研究通过两步KOH活化热解的方法制备了改性多

孔生物炭，并将其作为过一硫酸盐（PMS）的催化剂用于2,4-DCP的吸附和氧化降

解研究。通过系列的表征手段对生物炭的理化性质和结构特性进行了探究。通过对

2,4-DCP的吸附和降解效果评估了改性多孔生物炭的吸附和催化性能，并对影响因素

进行了实验探究。通过比表面积、孔容及缺陷位点等生物炭的表面结构与反应速率常

数（kobs）的相关性分析确定主要的活性位点，结合淬灭实验和电子顺磁共振（EPR）、

X射线光电子能谱（XPS）、电化学分析确定HPC800/PMS体系的降解机理，对中间

产物进行鉴定推测可能的降解途径。此外，通过生物毒性实验和构建海藻酸盐水凝胶

复合分级多孔生物炭催化材料/PMS连续流动床反应器体系，对HPC800/PMS的解毒

性能和实际工程利用性进行了探究。主要研究成果如下：

（1）利用KOH活化调控生物炭的比表面积、孔隙率、缺陷结构以及表面功能，

2

制备了分级多孔生物炭（HPCs），其中HPC800具有最大的比表面积（1460.1567m/g），

丰富的微孔结构，高的表面缺陷结构（I/I=1.20）。

DG

（2）HPC800预吸附30min达吸附平衡可去除31.17%的2,4-DCP，随后立即加

入PMS引发氧化降解反应，90min内降解97.51%的2,4-DCP。HPC800/PMS体系的

反应速率常数（kobs=0.03536min-1）是原始BC900/PMS体系反应速率常数

（kobs=0.00237min-1）的3.93倍，并且该体系对天然有机物质和无机阴离子表现出较

强的抗干扰能力，有较强的环境温度适应性和较宽泛的pH工作范围。

（3）微孔比表面积、微孔孔容、微孔占比及缺陷结构与kobs具有线性相关性，

微孔比表面积的增加为HPC800提供了更多的活性位点，微孔孔容的增加为HPC800

提供了一个更大的电子传递的空间，缺陷结构为该体系的主要活性位点。经过淬灭实

1

验、EPR和XPS的分析，HPC800/PMS体系的降解机理以非自由基（O、HPC800-

2

•−•−•

PMS*亚稳态活性物种介导电子转移）为主导作用，自由基（O2、SO4和OH）为辅

1

助作用，酮羰基（CO）是O2的主要来源。

I

（4）HPC800/PMS体系处理后的溶液成功消除了2,4-DCP及其中间产物对植物

的毒性影响；HPC800海藻酸钙复合水凝胶催化剂/PMS的连续流动床反应器体系，

可以实现对有机污染物流动式的去除，证明了该体系在水处理的实际工程应用中具

有广阔的前景。

关键词：

分级多孔生物炭，过一硫酸盐，2,4-二氯苯酚，非自由基