1、第49卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.49 No.2Feb.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENTCo-Ni LDHs/PES杂化膜协同杂化膜协同PMS降解降解印染废水的研究印染废水的研究周延慧1,董延茂1*,袁妍1,赵丹2,李屹3,谢纬君1(1.苏州科技大学化学与生命科学学院,215009;2.苏州科技大学环境科学与工程学院,215009;3.苏州信望膜技术有限公司,215123:江苏 苏州)摘摘 要要:分别采用共沉淀法和相转化法制备了Co-Ni层状双氢氧化物(Co-Ni LDHs)和Co-Ni LDHs杂化聚醚砜膜(Co-Ni L
2、DHs/PES)。通过FT-IR、XRD、SEM、TEM、EDX和拉伸强度测试对产物进行了表征。结果表明,所制备的Co-Ni LDHs/PES膜具有优异的机械性和亲水性。当LDHs的负载量为5 mg/L,PMS和AO7浓度分别为1 mmol/L和0.05 mmol/L时,反应20 min,AO7的去除率高达96.58%。Co-Ni LDHs/PES的离子浸出量远小于Co-Ni LDHs。重复使用四次后,Co-Ni LDHs/PES仍具有良好的催化性能。通过自由基猝灭实验和XPS分析研究了Co-Ni LDHs/PES的催化降解机理。在LDHs/PMS体系中同时产生了SO-4、OH、1O2和O-2
3、,其中后者在AO7降解中发挥了重要作用。关键词:Co-Ni LDHs;Co-Ni LDHs/PES;催化;离子浸出开放科学开放科学(资源服务资源服务)标识码标识码(OSID):中图分类号中图分类号:X791 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)02-0046-006偶氮染料中偶氮键和氨基对自然界具有有害特性1,不利于土壤微生物群落和植物生长。高级氧化过程(AOP)产生的高活性氧(ROS)是去除难降解有机污染物的高效且环境友好的替代方法2。同时,基于双金属纳米颗粒的催化剂对PMS活化表现出优异的催化活性。LDHs具有较大的表面积,可以为催化剂和PMS之间的充分
4、接触提供大量的活性位点,从而加快氧化反应的速度3。LDHs协同PMS活化过程中纳米颗粒(NP)易聚集、金属离子易浸出,从而导致活性位点损失,造成二次污染。此外,纳米纤维膜易受疏水性可溶性物质,如蛋白质、有机分子、染料等的吸收而发生结垢现象4。由于膜表面增强的亲水性可以减少疏水性污染物如蛋白质的粘附,进而控制膜污染。一些无机纳米粒子表面具有羟基,可与膜结合形成有机-无机杂化膜,提高膜的亲水性、机械强度和热稳定性。纳米粒子进入膜结构可有效减少结垢现象,提高耐热性和稳定性。在本文中,通过共沉淀法制备了一种晶相单一的钴镍水滑石(Co-Ni LDHs),将Co-Ni LDHs掺入PES膜中,改善了LDH
5、s纳米材料的性能,由于膜的亲水表面的存在,所得 Co-Ni LDHs/PES膜协同PMS产生强氧化性自由基(SO-4)对偶氮染料具有显著的抗污染性。1 实验材料和方法实验材料和方法1.1实验材料实验材料本研究中,原材料聚醚砜(PES,Mw600 00099.5%)使用前在80 下干燥24 h;过氧单硫酸氢钾(PMS,4%)、叔丁醇(TBA,99.5%)、牛血清白蛋白(BSA,96%)、腐植酸(HA,90%)、橙黄(AO7,85%)、六水合硝酸钴(Co(NO3)26H2O)、三水合硝酸镍(Ni(NO3)23H2O)、碳酸钠(Na2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl,99.5%)、聚乙烯
6、吡咯烷酮(PVP-K30)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、甲醇(MeOH,99.9%)、苯酚(Phenol,99.5%)、对苯醌(p-BQ,98%)、氯化钠(NaCl)均为分析纯,无需进一步纯化,实验过程中所用水均为去离子水。DOI:10.16796/ki.10003770.2023.02.009收稿日期:2021-09-16基金项目:苏州区域水质改善和水生态安全技术与综合示范项目(2017ZX07205);苏州市产业化前瞻项目(SYG201744)作者简介:周延慧(1995),女,硕士研究生,从事环境功能材料方向研究;电子邮件:通讯作者:董延茂,教授;电子邮件:1.2催化膜的制备催化膜的
7、制备采用共沉淀法制备Co-Ni LDHs,采用易相侵入技术制备 LDHs/PES 催化膜5。首先,在剧烈搅拌条件下,将一定量的 LDHs、PVP 均匀地分配到DMAc中,超声30 min;之后,将PES完全溶解在上述混合液中,持续搅拌8 h;将获得的悬浮液在真空烘箱中脱气24 h,以去除气泡;用流延刀流延到玻璃基板(1010 cm2)上刮涂LDHs/PES复合膜,迅速浸入含有乙醇和去离子水的混合溶液中。复合膜中Co-Ni LDHs质量比的X值计算如式(1)。X(%)=LDHsLDHs+PES 100%(1)其中,LDHs和PES分别为 LDHs 和 PES 的质量,mg。1.3材料的表征材料的
8、表征采用 Quanta FEG 250 型傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析样品的表面基团,测试波数范围为4004 000 cm2;采用 UItima IV X 射线粉末衍射仪(XRD)分析样品的晶型和种类,采用CuK辐射(=0.154 18 nm),扫描角度为1080;采用X射线光电子能谱仪(XPS)观察LDHs的表面的元素组成,辐射激发源为AlK(1 486.6 eV),测试通能为50 eV;采用Quanta FEG 250 型扫描电子显微镜(SEM)和 FEI Tecnai G2 F30型透射电子显微镜(TEM)观察样品的形貌和结构,加速电压为20 kV,探针束流3 pA-20 nA,
9、探测器为Intens和EI二次电子探测器,Smartedx能谱型号;采用接触角测定仪(JY-82)测量膜的亲水性能;根据ASTM D412标准,使用Zwick拉伸试验机测试LDHs/PES的机械性能;使用总有机碳分析仪(TOC)测试总有机碳含量;采用安捷伦的电感耦合等离子体质谱仪(ICP MS)测试Co、Ni离子的浸出量。1.4催化膜的催化性能催化膜的催化性能采用错流过滤装置研究Co-Ni LDHs/PES复合膜的催化活性6,在0.1 MPa条件下,加入进料溶液浓度为0.05 mmol/L的AO7(200 mL)和1 mmol/L的PMS,加入 0.2 mol/L NaNO2猝灭终止反应,分取
10、数组反应液,每次5 mL,于484 nm处测定吸光度,设置2个平行实验。完成降解实验后,收集催化膜并用无水乙醇和去离子水冲洗数次,烘干备用。1.5自由基消除实验自由基消除实验反应实验条件不变,催化膜中催化剂的含量保持不变(0.2 g/L),pH为中性,PMS为1 mmol/L。此外,系统中还加入了不同含量的猝灭剂,如叔丁醇(TBA)、甲醇(MeOH)、苯酚(Phenol)、糠醇(FFA)和对苯醌(p-BQ),在484 nm处测定染料废水的吸光度。2 结果和讨论结果和讨论2.1结构和形貌结构和形貌通过FT-IR图谱分析Co-Ni LDHs的表面化学官能团,如图1(a)所示。Co-Ni LDHs在
11、3 377.12、1 355.44、1 032.94 cm-1处有3个强吸收峰,分别是水滑石表面羟基(OH)中氢键的伸缩振动峰、水滑石层间H2O分子中氢键弯曲振动峰和合成水滑石过程中CO32-离子峰;在500800 cm-1之间的强吸收峰则是由M-O、M-O-M、O-M-O(M=Co、Ni)的晶格震动所引起的。Co-Ni LDHs的XRD表征结果如图1(b)所示,主要衍射峰2为11.63(003)、23.36(001)、34.71(012)、36.77(311)、44.62(009)、60.67(110)、65.01(113),能够很好的与NiCo2O4匹配,表明合成的Co-Ni LDHs仍然
12、保留有NiCo2O4水滑石的结构特点。Co-Ni LDHs的XPS全谱如图1(c)所示,全谱拟合得到Co-Ni LDHs的结晶度为89.23%,结晶度较高,晶型完整。图1(c)为Co-Ni LDH的广谱扫描图像,有Co、Ni、O和C四种元素。在合成过程中,部分Co2+和Ni2+被氧化成Co3+和Ni3+。Co 2p、Ni 2p、O 1s和C 2p的结合能分别为527.99 eV、712.11 eV、854.17 eV和973.27 eV。从图1(d)Co-Ni LDHs的O 1s图可以看出,M-OH键对应的结合能为531.17 eV。(a)FTIR表1注膜液的组成Tab.1Compositio
13、n of casting film solution46周延慧等,Co-Ni LDHs/PES杂化膜协同PMS降解印染废水的研究1.2催化膜的制备催化膜的制备采用共沉淀法制备Co-Ni LDHs,采用易相侵入技术制备 LDHs/PES 催化膜5。首先,在剧烈搅拌条件下,将一定量的 LDHs、PVP 均匀地分配到DMAc中,超声30 min;之后,将PES完全溶解在上述混合液中,持续搅拌8 h;将获得的悬浮液在真空烘箱中脱气24 h,以去除气泡;用流延刀流延到玻璃基板(1010 cm2)上刮涂LDHs/PES复合膜,迅速浸入含有乙醇和去离子水的混合溶液中。复合膜中Co-Ni LDHs质量比的X值
14、计算如式(1)。X(%)=LDHsLDHs+PES 100%(1)其中,LDHs和PES分别为 LDHs 和 PES 的质量,mg。1.3材料的表征材料的表征采用 Quanta FEG 250 型傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析样品的表面基团,测试波数范围为4004 000 cm2;采用 UItima IV X 射线粉末衍射仪(XRD)分析样品的晶型和种类,采用CuK辐射(=0.154 18 nm),扫描角度为1080;采用X射线光电子能谱仪(XPS)观察LDHs的表面的元素组成,辐射激发源为AlK(1 486.6 eV),测试通能为50 eV;采用Quanta FEG 250 型扫描电子
15、显微镜(SEM)和 FEI Tecnai G2 F30型透射电子显微镜(TEM)观察样品的形貌和结构,加速电压为20 kV,探针束流3 pA-20 nA,探测器为Intens和EI二次电子探测器,Smartedx能谱型号;采用接触角测定仪(JY-82)测量膜的亲水性能;根据ASTM D412标准,使用Zwick拉伸试验机测试LDHs/PES的机械性能;使用总有机碳分析仪(TOC)测试总有机碳含量;采用安捷伦的电感耦合等离子体质谱仪(ICP MS)测试Co、Ni离子的浸出量。1.4催化膜的催化性能催化膜的催化性能采用错流过滤装置研究Co-Ni LDHs/PES复合膜的催化活性6,在0.1 MPa
16、条件下,加入进料溶液浓度为0.05 mmol/L的AO7(200 mL)和1 mmol/L的PMS,加入 0.2 mol/L NaNO2猝灭终止反应,分取数组反应液,每次5 mL,于484 nm处测定吸光度,设置2个平行实验。完成降解实验后,收集催化膜并用无水乙醇和去离子水冲洗数次,烘干备用。1.5自由基消除实验自由基消除实验反应实验条件不变,催化膜中催化剂的含量保持不变(0.2 g/L),pH为中性,PMS为1 mmol/L。此外,系统中还加入了不同含量的猝灭剂,如叔丁醇(TBA)、甲醇(MeOH)、苯酚(Phenol)、糠醇(FFA)和对苯醌(p-BQ),在484 nm处测定染料废水的吸光度。2 结果和讨论结果和讨论2.1结构和形貌结构和形貌通过FT-IR图谱分析Co-Ni LDHs的表面化学官能团,如图1(a)所示。Co-Ni LDHs在3 377.12、1 355.44、1 032.94 cm-1处有3个强吸收峰,分别是水滑石表面羟基(OH)中氢键的伸缩振动峰、水滑石层间H2O分子中氢键弯曲振动峰和合成水滑石过程中CO32-离子峰;在500800 cm-1之间的强吸收峰则是由M