铁基非均相催化剂性能研究及应用

本书以铁基非均相催化剂的合成及其在高级氧化领域去除水中难降解有机污染物的研究为主线，主要涵盖了铁基非均相催化剂的制备、表征、性能研究、催化反应机理及应用等方面的内容，探究了铁基非均相催化剂对难降解有机污染物的去除性能，并结合系列表征，旨在掌握催化剂结构与有机污染物降解性能的规律，调控并优化提高铁基非均相催化剂的催化效率和稳定性。通过丰富的案例，展示了铁基非均相催化剂的广泛应用性。
本书内容丰富新颖、结构科学清晰、语言通俗易懂，可供催化、水处理等领域的科研人员、工程技术人员及管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、化学工程、材料工程及相关专业师生参阅。

孙秀萍，讲师，2022年毕业于北京工业大学，获环境科学与工程博士学位，毕业后就职于烟台大学土木工程学院给排水专业，从事水质工程学的教学工作。近5年来作为核心成员参与3项国家自然科学基金项目No. 52070005——PBAs 衍生双金属复合阴极的制备及阴阳极协同氧化降解水中PPCPs；No. 51778013——基于改性碳素电极和包裹型固相催化剂的阴阳极协同氧化体系的构建及其降解典型除草剂研究；No. 51478014——阴极还原脱氯-阳极电化学氧化耦合降解酚类有机污染物效能与机理。参与1项北京市自然科学基金项目；参与1项横向课题：北京市密云区河道排污口调查和污染源追根溯源项目。在环境领域发表学术论文5篇；授权国家发明专利4项。

1.本书所介绍的氧化技术能够在常温常压下分解废水中的有机物，符合国家“绿色发展”的要求，是水处理领域的研究热点，有较多专业人员关注。 2.本书主要介绍了钴铁基壳聚糖碳化微球催化剂及若干种复合阴极的制备、性能，并展示了其在有机废水处理中的应用效果，具有较好的全面性和参考价值。 3.本书能够拓展读者对铁基非均相催化剂的认识，启发其设计优化适用于不同种类有机废水的铁基催化剂。

高级氧化技术是一种新兴的废水处理技术，其核心是强氧化剂在催化剂作用下，将废水中的大分子难降解有机物氧化成小分子物质甚至最终将其矿化为二氧化碳和水，从而使废水得以净化。高级氧化深度去除微污染物的研究关乎日常生活中的水环境污染问题。在高级氧化废水处理中，催化剂的作用尤为突出。催化剂是化学反应中的重要组成部分，可以改变反应速率和反应选择性，从而使一些有害有毒的物质得以转化为无害无毒的物质。其中，铁基非均相催化剂是一种重要的催化剂，具有成本低廉、制备方法简单、催化活性高、选择性好等优点，但现有催化剂的催化效率和稳定性仍需进一步提高。因此，深入研究和改进铁基非均相催化剂的性能，对于污水高效绿色处理具有深远影响，已成为化学领域的重要课题。
铁基非均相催化剂的制备过程比较复杂，而且其催化机理和应用方面的问题也需要进一步研究。因此，笔者团队制备了不同成分和结构的铁基非均相催化剂，围绕其在高级氧化废水处理中的性能展开研究，旨在为铁基非均相催化剂的优化设计和实际应用提供理论指导和技术支持。
本书共分8章。第1章主要介绍了高级氧化技术、非均相高级氧化技术及铁基非均相催化剂在污水处理方面的研究现状；第2章主要介绍了铁基非均相催化剂的表征方法、性能测试、评价指标及毒性评估等；第3 ~第7章分别探讨了不同铁基非均相催化剂的性能及其在不同高级氧化技术中的应用，主要包括投加型催化剂如镍铁基催化剂、钴铁基壳聚糖碳化微球催化剂，负载型催化剂如钴铁基碳纳米管泡沫镍复合阴极、铜铁基活性炭纤维复合阴极、钴铁基石墨毡复合阴极；第8章介绍了铁基催化剂的性能比较及展望。本书结合最新的研究成果和实验数据，深入探讨了铁基非均相催化剂的制备方法、结构表征、性能评价等方面的问题；此外，还介绍了铁基非均相催化剂在使用高级氧化技术处理难降解有机废水中的应用实例，为读者提供了参考。这些内容旨在帮助读者更好地理解不同铁基非均相催化剂的表面形貌、晶体结构、元素组成等，以及其在高级氧化体系中发挥的催化性能和影响因素。铁基非均相催化剂在制备方法、结构表征、性能评价等方面取得了许多重要进展，这些进展不仅有助于我们更好地理解铁基非均相催化剂的催化机理，也为实际应用提供了更多的可能性。通过深入探讨铁基非均相催化剂的性能及应用，我们可以更好地理解这一重要的催化反应过程。
本书内容深入浅出，使复杂的理论问题变得易于理解；同时，本书将理论与应用结合，兼具学术价值和实践指导意义。本书的出版受到了烟台大学科研启动基金（TM22B211）和烟台大学实验室开放基金（120402）的资助。感谢在完成本书的过程中给予无私帮助的专家学者和同行，他们的建议和指导使本书更加完善，更具深度。
限于著者水平及撰写时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请读者提出修改建议。

孙秀萍
2023年12月

第1章 概述 001
1.1 高级氧化技术 002
1.1.1 臭氧氧化技术 002
1.1.2 芬顿氧化技术 003
1.1.3 电化学氧化技术 003
1.1.4 光催化氧化技术 004
1.1.5 过硫酸盐氧化技术 006
1.2 非均相高级氧化技术 012
1.2.1 基于羟基自由基的非均相高级氧化技术 012
1.2.2 基于硫酸根自由基的非均相高级氧化技术 014
1.3 铁基非均相催化剂在污水处理方面的研究现状 017
1.3.1 铁基单金属非均相催化剂的研究现状 017
1.3.2 铁基双金属非均相催化剂的研究现状 020
参考文献 023

第2章 铁基非均相催化剂 032
2.1 表征测试方法 033
2.1.1 表面形貌分析 033
2.1.2 微观结构分析 033
2.1.3 晶体结构分析 033
2.1.4 表面元素组成分析 033
2.1.5 拉曼光谱分析 033
2.1.6 比表面积和孔结构分析 034
2.1.7 官能团结构分析 034
2.1.8 亲疏水性分析 034
2.1.9 热稳定性分析 034
2.1.10 磁性能分析 034
2.1.11 电极电化学性能测试 034
2.2 目标物检测与分析方法 035
2.2.1 PS检测方法 035
2.2.2 H2O2 检测方法 035
2.2.3 金属离子浓度测定方法 035
2.2.4 零电荷点测定方法 035
2.2.5 污染物检测方法 036
2.2.6 降解产物检测方法 037
2.3 评价指标与计算方法 037
2.3.1 污染物去除率计算 037
2.3.2 降解动力学分析 037
2.3.3 电流效率计算 038
2.3.4 矿化率计算 038
2.3.5 能耗分析 038
2.4 毒性评估 039
2.4.1 大肠埃希菌生长抑制实验 039
2.4.2 生态毒性评估 039
参考文献 040

第3章　镍铁基催化剂 041
3.1 镍铁基催化剂的制备与表征 042
3.2 镍铁基催化剂活性评价 043
3.3 镍铁基催化剂的晶相、形态和组成 043
3.4 镍铁基催化剂应用于非均相高级氧化体系的性能研究 047
3.5 镍铁基催化剂非均相高级氧化体系催化机理探究 052
3.6 镍铁基催化剂在不同实际水体中的应用研究 054
3.7 镍铁基催化剂降解不同污染物的适用性研究 055
3.8 镍铁基催化剂的稳定性 055
3.9 镍铁基催化剂在连续流固定床中的应用 056
参考文献 057

第4章 钴铁基壳聚糖碳化微球催化剂 060
4.1 钴铁基壳聚糖碳化微球催化剂的制备 061
4.1.1 CoFe@NC的制备 061
4.1.2 CoFe@NC/CM 的制备 062
4.1.3 CoFe@NC/CCM 的制备 062
4.2 钴铁基壳聚糖碳化微球催化剂制备条件优化 063
4.2.1 热解温度的优化 063
4.2.2 碳化温度的优化 063
4.2.3 CoFe@NC与Cs质量比的优化 064
4.3 CoFe@NC/CCM 的表征 065
4.3.1 晶体结构分析 065
4.3.2 Raman光谱分析 066
4.3.3 表面形貌分析 067
4.3.4 微观形貌分析 068
4.3.5 表面元素组成分析 069
4.3.6 官能团结构分析 070
4.3.7 热稳定性分析 071
4.3.8 磁性能分析 071
4.4 不同影响因素对处理效果的影响 072
4.4.1 CoFe@NC/CCM 投加量 072
4.4.2 PMS投加量 073
4.4.3 溶液pH值 074
4.4.4 反应温度 075
4.4.5 污染物初始浓度 076
4.5 CoFe@NC/CCM 催化PDS和H2O2 处理废水的性能对比 077
4.6 CoFe@NC/CCM 稳定性测试 078
4.7 CoFe@NC/CCM 非均相高级氧化体系催化机理探究 079
参考文献 082

第5章 钴铁基碳纳米管泡沫镍复合阴极 085
5.1 钴铁基碳纳米管泡沫镍复合阴极的制备 086
5.2 碳纳米管泡沫镍阴极的制备及表征 087
5.2.1 CNTs/NF阴极制备条件优化 088
5.2.2 CNTs/NF阴极的表征 091
5.3 钴铁基碳纳米管泡沫镍复合阴极的制备及表征 093
5.3.1 CoFe@NC-CNTs/CNTs/NF复合阴极制备条件优化 093
5.3.2 CoFe@NC-CNTs/CNTs/NF复合阴极表征 095
5.4 碳纳米管泡沫镍阴极对H2O2 生成量的影响因素探究 099
5.4.1 曝气量对H2O2 生成量的影响 099
5.4.2 电流密度对H2O2 生成量的影响 100
5.4.3 初始pH值对H2O2 生成量的影响 101
5.5 钴铁基碳纳米管泡沫镍复合阴极非均相EF体系的性能研究 102
5.5.1 不同影响因素对处理效果的影响 102
5.5.2 钴铁基碳纳米管泡沫镍复合阴极稳定性测试 105
5.5.3 非均相EF体系催化机理探究 106
5.6 非均相EF-PDS复合体系降解性能研究 110
5.6.1 曝气量对处理效果的影响 110
5.6.2 PDS投加量对处理效果的影响 112
5.6.3 电流密度对处理效果的影响 112
5.6.4 溶液初始pH值对处理效果的影响 114
5.6.5 非均相EF-PDS复合体系活性氧物种的鉴定 114
5.7 非均相EF-PDS复合体系在不同实际水体中的应用研究 115
5.8 非均相EF-PDS复合体系降解不同污染物的适用性研究 116
参考文献 118

第6章 铜铁基活性炭纤维复合阴极 121
6.1 铜铁基活性炭纤维复合阴极的制备 122
6.1.1 CuFe2O4@ACF电极的制备 122
6.1.2 CuFe2O4@ACF电极制备条件的优化 122
6.2 CuFe2O4@ACF电极的表征 124
6.2.1 表面形貌表征 124
6.2.2 元素组成分析 125
6.3 铜铁基活性炭纤维复合阴极电活化PDS性能测试 125
6.3.1 不同因素对处理效果的影响 126
6.3.2 矿化度测试 129
6.3.3 CuFe2O4@ACF复合阴极电活化PDS体系催化机理探究 130
6.3.4 CuFe2O4@ACF电极重复稳定性测试 131
6.4 铜铁基活性炭纤维复合阴极降解不同污染物的适用性研究 132
参考文献 133

第7章　钴铁基石墨毡复合阴极 134
7.1 FeO-CoFeO/GF复合阴极的制备 135
7.2 FeO-CoFeO/GF复合阴极制备条件优化 136
7.2.1 金属盐浓度的优化 136
7.2.2 金属比例的优化 137
7.2.3 煅烧温度的优化 138
7.3 FeO-CoFeO/GF复合阴极的表征 139
7.3.1 晶体结构分析 139
7.3.2 表面元素组成分析 141
7.3.3 表面形貌分析 141
7.3.4 微观结构分析 143
7.3.5 热稳定性分析 143
7.3.6 官能团结构分析 144
7.3.7 比表面积分析 144
7.3.8 电化学测试分析 145
7.4 FeO-CoFeO/GF复合阴极电活化PDS的性能测试 146
7.4.1 不同因素对处理效果的影响 146
7.4.2 FeO-CoFeO/GF复合阴极的稳定性 152
7.4.3 活性氧物种类型的鉴定 153
7.4.4 溶解氧对阿特拉津降解的影响 154
7.5 FeO-CoFeO/GF电活化PDS体系催化机理探究 156
7.6 FeO-CoFeO/GF复合阴极在不同实际水体中的应用研究 160
7.7 FeO-CoFeO/GF复合阴极降解不同污染物的适用性研究 161
7.8 阿特拉津降解产物及降解路径分析 162
7.9 毒性分析 164
参考文献 167

第8章 铁基催化剂性能比较及展望 170
8.1 铁基催化剂性能比较 171
8.1.1 镍铁基催化剂 171
8.1.2 钴铁基壳聚糖碳化微球催化剂 172
8.1.3 钴铁基碳纳米管泡沫镍复合阴极 175
8.1.4 铜铁基活性炭纤维复合阴极 177
8.1.5 钴铁基石墨毡复合阴极 178
8.2 展望 179
8.2.1 存在问题 179
8.2.2 铁基非均相催化剂体系研究展望 179
8.2.3 铁基非均相催化剂应用展望 180
参考文献 180