第64卷第3期 化工 学 报 Vo1.64 NO.3 March 2013 2013年3月 CIESC Journa1 高分散型纳米级Pd/Fe对4一氯苯酚的 还原脱氯 赵德明 ,李 敏 ,徐新华。 ( 浙江工业大学化学工程与材料学院,浙江杭州310032; 浙江大学环境与资源学院,浙江杭州310027) 关键词:超声波;高分散型纳米级Pd/Fe;4-氯苯酚;动力学 DOI:10.3969/j.issn.0438—1157.2013.03.043 中图分类号:X 78;TQ 209 文献标志码:A 文章编号:O438—1157(2013)03—1091--08 Reductive dechlorination of 4-chlorophenol by highly dispersed Pd/Fe nanoparticles ZHAO Deming ,LI Min ,XU Xinhua ̄ ( College of Chemical Engineering and Materials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,Zhejiang,China; College of Environmental and Resource Sciences,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang,China) Abstract:Highly dispersed Pd/Fe nanoparticles were prepared by using ultrasound—assisted liquid phase reductive method,and used for reductive dechlorination of 4-chlorophenol(4一CP).The affecting factors and degradation kinetics were investigated.The experimenta1 results showed that:obvious modification was achieved on the particle size,most of them less than 100nm,and on specific surface areas,increased 43.42 .The efficiency of 4-CP reductive dechlorination was up to 97 on the Pd/Fe nanoparticles with Pd mass fraction 0.2 and its dosage 2.5 g・L at the conditions:time 300 min,initial 4-CP concentration 20 mg・L~。pH value 3.0。and reaction temperature 30℃.The degradation reaction of 4一 CP followed pseudo—first—order kinetics and the apparent pseudo—first—order kinetics constant was 1.76× 1 0—0 mjn_。. Key words:ultrasound;highly dispersed Pd/Fe nanoparticles;4-chlorophenol;kinetics 士 丘 素_】]。因此,如何修复氯酚类化合物对环境的污染 已成为当今环境科学界迫切需要解决的问题。 在众多氯酚类化合物的治理方法中,利用廉价 的金属铁(Fe。,zero—valent iron,ZVI)及其化合 物脱氯为含氯有机物的处理提供了一种具有前景的 氯酚类化合物在医药、农药、塑料、抗氧剂、 涂料、制革和造纸等生产过程中有着广泛的应用, 是首批列入斯德哥尔摩国际公约的12类持久性有 机污染物(POPs)之一,属于典型的环境雌激 途径,该法具有简单实用和操作费用低等特点_2 ]。 2012一O7—16收到初稿,2012—10—11收到修改稿。 联系人及第一作者:赵德明(1976一),男,副教授,博士后。 基金项目:浙江省自然科学基金项目(Y5100075);浙江省科 技厅公益技术研究社会发展项目(2O12C23044)。 Received date 1 2012—07—16. Corresponding author:ZHAO Deming,dmzhao@zjut.edu.cn Foundation item:supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province(Y5100075)and the Science and Technology Department of Zhejiang Province(2012C23O44). ・1092・ 化工学报 第64卷 但纯粹的Fe。对某些含氯有机物还原脱氯性较低, 脱氯速度比较慢,反应不完全,有可能生成其他毒 性较大的含氯副产物,随着反应的进行,金属氢氧 化物和碳酸盐沉积在Fe。表面,也会使得Fe。还原 脱氯活性降低。为了提高脱氯速率,通常可以采用 比铁还原性更强的金属,如Mg、Sn及Zn等,利 用这些金属的强还原性提高脱氯反应速率,但有些 还原性金属存在二次污染问题;另一个途径就是采 用稳定化态的纳米零价铁(nZVI),或者Pd/Fe、 Ni/Fe等复配双金属nZVI催化剂,可以有效提高 难降解含氯有机物的脱氯和可生化效果,为后续的 生物降解提供条件_6 ]。 由于nZVI和双金属体系nZVI具有较强的团 聚特性,限制了其实用化。目前要解决的主要问题 是在合成nZVI过程中改善其矿物学特性和工程特 性,减少团聚的发生,提高传输性能和稳定性。利 用超声波“声空化”物理特性来制备纳米铁及纳米 铁系等物质,从而增加其分散性的研究报道已证实 该技术的可行性[1 ]。因此,改进普通液相还原 制备nZVI的方法,可利用超声波“声空化”物理 特性来改善nZVI的矿物学特性和工程特性,减少 团聚发生,增加其分散性等。 本文以4一氯苯酚为研究对象,系统探讨了超 声波作用下高分散型纳米级Pd/Fe的制备及其对 4一氯苯酚的催化还原脱氯影响因素,并建立了降解 动力学,为工业化应用提供基础参数。 1 实验部分 1.1主要试剂及实验用水 4-CP(CP,99 ),EMD Chemicals Inc.;苯 酚(AR,99 ),EMD Chemicals Inc.;硫酸亚铁 (FeSO ・7H O,99.0 ~101.0 ,AR),衢州 巨化试剂有限公司;NaBH (98 ,AR),天津市 化学试剂研究所;K PdC1 (Pd 26.2 ),Aladdin Chemicals;甲醇(≥99.8 ,色谱纯),上海陆都 化学试剂厂;氮气(高纯氮),杭州今工特种气体 公司;HzSO (CP,98 ),浙江巨化股份有限公 司硫酸厂;NaOH(CP,97 ),浙江省永嘉县化 工试剂厂。 采用Millipore Milli—Q超纯水(电导率18.2 Mfl・cm )分别配制实验所需浓度的4一氯苯酚 溶液。 1.2实验装置 实验装置见图1。实验在容积为500 ml的三 SOnlcator 图1实验反应装置 Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus 口烧瓶中进行,反应器放置于超声波清洗器内部, 周边有进气口和取样口,超声波功率为150 W、频 率为40 kHz,通过超声波恒温水浴槽控制反应温 度,钢瓶高纯氮为保护气体气源。 1.3实验方法 超声波(40 kHz,15O w)作用下并剧烈搅拌 通氮气,保持水浴温度为30 ̄C条件下将一定体积 浓度为0.50 mol・L 的NaBH 水溶液逐滴加入 装有等体积0.25 mol・L FeSO ・7H O水溶液 的500 ml三口烧瓶中,即可制得纳米级Fe粉。使 新制备的纳米级Fe粉与一定体积K PdC1 水溶液 反应,可得到纳米级Pd/Fe。在合成过程中用氮气 保护。将制备的纳米级Pd/Fe用无氧去离子水和 无水乙醇洗涤。 将含一定量4一氯苯酚的水溶液加入装有新制 备纳米级Pd/Fe双金属的500 ml三口烧瓶中,在 恒温并通氮气的条件下反应,在选定的时间间隔用 注射器取样。将所取样品用0.45 m聚醚砜微孔 滤膜过滤,留待分析。 1.4 分析方法 分析方法采用高效液相色谱(HPLC,SHI— MADZU,Japan)。进样量20 l,流动相为V(甲 醇):V(水)一60:4O, 分离柱为Hypersil ODS column(150 mm×4.6 mm),流速为1 ml・ min_。,紫外灯波长280 nm,从而确定4一氯苯酚及 中间产物苯酚的体积质量浓度,4一氯苯酚的去除率 定义如下叩一1一C , /c .o,其中C C 一cP, 分别为4一氯苯酚的初始浓度和反应时间为t时的浓 度,mg・L_。。 2 结果与讨论 2.1纳米Pd/Fe的表征 新制备的纳米Pd/Fe为黑色絮状物,图2为 用环境扫描电镜(SEM,HITACHI S-4800)观察 ・1094・ 化工学报 第64卷 值,通过非线性曲线拟合优化软件包拟合就可以得 到相应物质的反应速率常数k。 2.3不同制备方法的纳米Pd/Fe对4一氯苯酚的 还原脱氯效果对比 图4显示了初始浓度为20 mg・L 的4一氯苯 酚溶液分别在普通液相还原法和超声波强化液相还 原法条件下制备的纳米Pd/Fe对4-CP的还原脱氯 影响。 图4不同制备方法的纳米Pd/Fe对4一氯苯酚的 还原脱氯影响 Fig.4 Effect of preparation method on 4-CP degradation (mass fraction of Pd in Pd/Fe nanoparticles 0.3 ; Pd/Fe dosage 2.5 g・I 一 :initial 4-CP concentration 20 mg・L-。;pH 3.0;temperature 3O℃; stirring speed 600 r・min ) 由图4可看出超声波强化液相还原法制备的纳 米Pd/Fe还原脱氯速率快,根据已建立的动力学 模型,进行非线性拟合,得到普通液相还原法制备 的纳米Pd/Fe对4-CP的还原脱氯反应符合拟一级 动力学,表观反应速率常数为0.51×10 rain ; 超声波强化液相还原法制备的纳米Pd/Fe对4-CP 的还原脱氯反应也符合拟一级动力学,表观反应速 率常数为3.u×10 min_。。证实了超声波的“声 空化”及“剪切破碎”作用可增强纳米Pd/Fe的 分散性,防止其团聚,故而增加了纳米Pd/Fe的 比表面积,增加4-CP与催化剂的相接触面积,从 而加快了4-CP的降解速率口 ]。 2.4 纳米Pd/Fe的钯化率对4-氯苯酚的还原脱氯 影响 图5显示了钯化率对4一氯苯酚还原脱氯的影 响。当钯化率分别为0.05 9/6、0.1 、0.2 和 0.3 9/6,且反应300 min时,4一氯苯酚的还原脱氯 图5纳米Pd/Fe的钯化率对4-CP还原脱氯的影响 Fig.5 Effect of mass fraction of Pd in Pd/Fe nanoparticles on 4-CP degradation (initial 4-CP concentration 20 mg・L_。:Pd/Fe dosage 2.5 g・L-。;pH 3.0;temperature 30 ̄C; stirring speed 600 r・min一 ) 降解均符合拟一级动力学关系,反应速率常数分别 为0.04×10一 、0.34×10一 、1.76×10一 、 3.11×10 min。随着钯化率的增加,4一氯苯酚 的降解速率常数增大,主要原因是因为Pd是良好 的加氢催化剂,它作为过渡金属有空轨道,能够与 含氯有机物中氯元素的P电子对或有双键有机物的 7c电子形成过渡配合物(如Pd…Cl…R),从而降 低脱氯反应的活化能,在反应过程中,4-CP先被 吸附在纳米级Pd/Fe表面,再在Fe。腐蚀作用下 产生H。后被Pd吸附生成具有强还原性的物质 Pd・H ,然后吸附在Pd/Fe表面的含氯有机物被 Pd・H 还原l3 ]。这些现象说明较高的钯化率有 利于脱氯反应。从图4中可看出,当钯化率为 0.2 和0.3 时,反应300 min后4-CP还原脱氯 率分别为96.5 和96.7 。综合考虑处理成本, 确定0.2 为较佳钯化率。 第3期 赵德明等:高分散型纳米级Pd/Fe对4氯苯酚的还原脱氯 ・j095・ 2.5 纳米Pd/Fe投加量对4一氯苯酚的还原脱氯 影晌 图6显示了纳米Pd/Fe投加量对4一氯苯酚还 原脱氯的影响。 图6纳米Pd/Fe投加量对4-CP的还原脱氯影响 Fig.6 Effect of nanoscale Pd/Fe dosage on 4 CP degradation (mass fraction of Pd in Pd/Fe nanoparticles 0.2 ; initial 4-CP concentration 20 mg・L :pH 3.0: temperature 30 ̄C;stirring speed 600 r・min ) 由图6可知,提高纳米Pd/Fe的投加量能加 快4一氯苯酚的降解速率,投加量为1.5、2.5、3.5 和4.5 g・L一,且反应300 min时,4一氯苯酚的还 原脱氯降解均符合拟一级动力学关系,对应的反应 速率常数分别为0.67 x 10 、1.76×1O_。、 2.82×10 、3.06×10 rain 。随着纳米Pd/Fe 的投加量增加,4-氯苯酚降解速率常数增大,主要 是因为纳米级Pd/Fe双金属颗粒的脱氯反应发生 在颗粒的表面,增加Pd/Fe的量相当于增大Pd/ Fe催化剂表面积。表面积越大,与4-CP的接触面 积也越大。随着投加量增加,加大了可以提供电子 的Fe。表面积和具有催化作用的Pd量,有利于反 应进行。当投加量大于2.5 g・L 且反应300 rain 时,4-CP降解率和苯酚的生成率变化不大,故纳 米Pd/Fe投加量2.5 g・L 较佳。 2.6温度对4一氯苯酚还原脱氯的影响 反应温度对4一氯苯酚还原脱氯的影响见图7。 反应温度为15、3O、45和6O℃,反应300 min时 4一氯苯酚的还原脱氯降解均符合拟一级动力学关 系,反应速率常数分别为0.43×10 、1.76× 10一、1.89×10 、0.94×10 min~。温度较低 时随着温度的增加反应速率常数增大,而当温度过 高时反应速率常数反而减小,这是因为在较低温度 范围内,升高温度,4一氯苯酚由溶液中到纳米Pd/ Fe表面运动的活性增加了,即电子转移的活化能 增加。而4-CP发生脱氯反应的主要原因之一是可 被Pd吸附的氢原子形成的强还原物质对其还原脱 氯,当温度过高时,2个吸附态氢原子会相结合产 生氢气逸出E1 5-16 ̄。由图7也可以看出温度较低时, 苯酚的产率随温度的增加而增加,当高于6O℃时, 图7温度对4-CP的还原脱氯影响 Fig.7 Effect of reaction temperature on 4-CP degradation (mass fraction of Pd in Pd/Fe nanoparticles 0.2 ; Pd/Fe dosage 2.5 g・L :initial 4-CP concentration 20 mg・L-。;pH 3.0;stirring speed 600 r・min一 ) ・ IO96 ・ 化工学报 第64卷 苯酚的产率反而有所下降,因此,纳米级Pd/Fe 利用还原脱氯时,反应温度不宜过高。 2.7溶液初始pH值对4-氯苯酚还原脱氯的影响 溶液初始pH值对4一氯苯酚与纳米Pd/Fe反应 的影响见图8。 图8 pH对4-CP的还原脱氯影响 Fig.8 Effect of pH on 4-CP degradation (mass fraction of Pd in Pd/Fe nanoparticles 0.2 ; Pd/Fe dosage 2.5 g・L :initial 4-CP concentration 20 mg・L ;temperature 30℃:stirring speed 600 r・rain ) 由图8可得,碱性条件不利于4一CP的还原脱 氯,当pH===9.0时,反应300 min后4-CP的脱氯 率仅有44.6 ;偏酸性条件下pH从3.0升高至 5.0、7.0时,4一氯苯酚的降解率分别为96.5 、 94.7 、74.8 ;当pH为3.0、5.0、7.0、9.0 时苯酚的生成率分别为87.5 、86.7%、67.1 、 37.2 。当溶液初始pH为3.0、5.0、7.0和9.0, 且反应300 rain时4一氯苯酚的还原脱氯降解均符合 拟一级动力学关系,对应的反应速率常数分别为 1.76×10一 、0.93×10一 、0.36×10 、0.17× 10 min~。因此,较酸性条件下4一氯苯酚的脱氯 效果比较好。 可能的原因是:①纳米级Pd/Fe双金属颗粒 在制备和存储的过程中,无可避免地被氧化了,相 关文献也证实了这一点l】 ,可是,在酸性条件下, 纳米级Pd/Fe双金属颗粒表面的氧化物和氢氧化 物被溶解了,纳米级Pd/Fe双金属颗粒表面的活 性反应场所提供给了4一CP,加速了反应的进行, 然而在碱性条件下,纳米级Pd/Fe双金属颗粒表 面的氧化层却阻碍了反应的进行;②在酸性条件 下,铁的腐蚀加剧了,这使得加氢反应增强,从而 加速了4一cP脱氯反应的进行,同时催化剂钯存在 也加快了新生态氢的生成,此时4-CP被吸附氢或 吸收氢还原的速率加快I】。 。故初始pH值为 3.O~5.0时较佳。 2.8搅拌速度对4一氯苯酚降解的影响 图9显示了搅拌速度对4一氯苯酚还原脱氯的影 响。当转速由200、400 r・rain 升至600 r・ arin 且反应300 rain时,4-CP的降解率从 80.0%oo、91.1 提高至96.5 ;苯酚生成率由 67.3 、78.9 升高至87.5 ;4-氯苯酚的降解 均符合拟一级动力学关系,反应速率常数分别为 0.46×10一 、0.78×10 、1.76×10一 rain一 。搅 拌速度增大,反应速率常数也增大,这是因为,转 速越大,颗粒悬浮度越好,提高了有机物与铁的接 触面积,同时转速快还可防止纳米Pd/Fe的团聚, 增加其分散性。故选取转速为600 r・rain 为较佳 条件。 2.9初始浓度对4一氯苯酚还原脱氯的影响 4一氯苯酚初始浓度对其还原脱氯的影响如图 10所示。 在初始浓度为20、3O、4O和50 mg・L~,反 应300 min时,4一氯苯酚的还原脱氯均符合拟一级 动力学关系,对应的反应速率常数分别为1.76× 10一 、1.43×10一 、1.O7×10 、0.85×10 arin ,4-CP的反应速率常数随着初始浓度的增大 而减小。从降解率角度考虑,当4-CP初始浓度由 20、3O、40 mg・L 升至50 mg・L 时,反应 300 rain后4-CP降解率分别为96.5 9/6、95.1 、 93.2 和92.1 ,降解率相差不到5 ;从降解的 绝对量角度考虑,当4-CP初始浓度由20 mg・L 升至50 mg・L 时,反应300 rain后4-CP降解的 绝对量由19.31 mg・L 升至46.07 mg・L.。,初 始浓度高的4-CP溶液在降解过程中降解的绝对量 大于初始浓度低的4-CP,所以刚开始时浓度高的 第3期 赵德明等:高分散型纳米级Pd/Fe对4一氯苯酚的还原脱氯 ・ j097・ 宴 ∞ g 图9搅拌速度对4-CP的还原脱氯影响 Fig.9 Effect of stirring speed on 4-CP degradation (mass fraction of Pd in Pd/Fe nanoparticles 0.2 ; Pd/Fe dosage 2.5 g・L :initial 4-CP concentration 20 mg・L~:pH 3.0:temperature 3O℃) 降解速率慢,随着反应的进行,溶液中绝对浓度差 距逐渐减小,故反应结束时,4-CP的降解率差别 不大。由此可以看出,4-CP降解率受其初始浓度 影响较小。 3 结 论 (1)超声波对纳米Pd/Fe有空化剪切破碎作 用,可提高纳米Pd/Fe的分散性,使其颗粒更小, 当超声波强化作用下制备的纳米Pd/Fe还原4-CP 脱氯时,其还原脱氯效果远大于普通液相还原法制 备的纳米Pd/Fe。 (2)超声波强化条件下制备的纳米Pd/Fe对 4-CP催化还原脱氯符合拟一级动力学关系,主要 影响因素为:纳米Pd/Fe投加量、钯化率、温度、 pH值、搅拌速度和4-CP初始浓度。 (3)当钯化率为0.2 (质量)且纳米级Pd/ Fe投加量2.5 g・L一,反应温度30 ̄C,pH值为 3.0条件下反应5 h后对初始浓度为20 mg・L 的 。0 罾 图10 4-CP初始浓度对其还原脱氯的影响 Fig.10 Effect of initial 4一cp concentration on 4-CP degradation (mass fraction of Pd in Pd/Fe nanoparticles 0.2 ; Pd/Fe dosage 2.5 g・L;pH 3.0;temperature 30 ̄C stirring speed 600 r・rain ) 4-CP去除率近97 9/6,纳米双金属Pd/Fe降解4-CP 符合拟一级反应动力学关系,反应速率常数为 1.76×10 min 。 References [1] Zeng Zhaohua(曾兆华),Wan Jiwei(万继伟).Review On the bioremediation of environment polluted by hard degradable chlorinated organics[J].Pollution Control Technology(污染防治技术),2011,24(3):62—65 [2] Xu Xinhua(徐新华),Jin Jian(金剑),Wei Jianiun(卫建 军),Wang Dahui(汪大翠).Dechlorination mechanism and kinetic of 2,4-DCP by nanoscale Pd/Fe system[J]. 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