鋼渣/氮摻雜改性活性炭催化過硫酸鹽降解羅丹明B

黃 艷，邢 波，晏 偉，楊 郭，范鳳艷，張華芳，湯鯤彪

（1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州 646000； 2.四川輕化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川自貢 643000；3.四川天華股份有限公司，四川瀘州 646000； 4.四川紅華實業(yè)有限公司，四川樂山 614000）

在眾多羅丹明B廢水的處理方法中，催化過硫酸鹽氧化技術(shù)因具有高氧化電位、較寬的pH操作窗口和操作簡單等優(yōu)點〔1-2〕，引起了研究者們的重點關(guān)注。該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于開發(fā)經(jīng)濟且高效的催化劑。

鋼渣作為一種二次資源，主要成分包括Fe2O3、FeO、MnO、CuO等多種活性金屬氧化物，在活化過硫酸鹽（PS）降解有機污染物方面具有優(yōu)勢〔3〕。以鋼渣活化過硫酸鹽降解有機污染物既可實現(xiàn)鋼渣的資源化利用，又能實現(xiàn)有機廢水的深度處理，達到“以廢治廢”的目的。但是，鋼渣直接用作水處理材料存在金屬溶出量大、穩(wěn)定性差的問題，需對鋼渣進行改性處理。前期研究發(fā)現(xiàn)，利用活性炭對鋼渣進行高溫復(fù)合改性是一種切實可行的方法，活性炭在高溫復(fù)合過程中對鋼渣的活性金屬氧化物具有還原作用，提高了零價金屬的含量〔4-5〕。但是單獨利用活性炭對鋼渣進行復(fù)合改性依然存在穩(wěn)定性差的問題，需要進一步提高復(fù)合材料的催化活性和穩(wěn)定性。已有研究表明，通過氮摻雜改性處理活性炭是一種有效提高活性炭催化活性的有效策略，一方面氮摻雜改性可在碳材料表面形成多種含氮堿性官能團，從而調(diào)控碳材料表面局部電子結(jié)構(gòu)和酸堿性質(zhì)，形成局部活性位點，增強碳材料自身的催化氧化活性〔6-7〕；另一方面局部活性位點還可與活性金屬相互作用，形成金屬-Nx（M-Nx）活性結(jié)構(gòu)，增強金屬與載體之間相互作用〔8〕。

基于此，本研究在氨氣氣氛下高溫煅燒制備系列鋼渣/氮摻雜改性活性炭復(fù)合材料并用于催化PS降解羅丹明B，重點探究氨氣煅燒溫度對催化材料的影響，深入考察了反應(yīng)溫度、pH、PS加量等關(guān)鍵工藝參數(shù)對反應(yīng)體系的影響，并對其催化氧化降解羅丹明B的反應(yīng)機理進行了研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑：羅丹明B（RhB）、過硫酸鈉（PS）、碘化鉀（KI）、甲醇（MeOH）、叔丁醇（TBA）、L-組氨酸（L-histudine），均為分析純；活性炭（200目）購于寧夏華輝炭業(yè)有限公司；鋼渣購于河北敬業(yè)鋼廠。實驗室用水為超純水。

主要儀器：TU-1950型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；ST-Q200型行星式球磨儀，北京旭鑫盛科儀器設(shè)備有限公司；OTL1200管式爐，南京南大儀器廠。

1.2 材料制備

取活性炭粉末在0.5 mol/L HNO3中浸泡酸洗12 h后用去離子水洗至中性，于90 ℃干燥箱中干燥12 h；將鋼渣與活性炭以3∶5（質(zhì)量比）混合后置于球磨儀中，在1 000 r/min下球磨80 min。球磨后樣品置于管式爐中，通氮氣30 min以上，保證空氣排盡后，在氨氣氣氛下以5 ℃/min的速度加熱至設(shè)定溫度，保溫2 h后持續(xù)通氨氣直到樣品冷卻至室溫，得到改性鋼渣/活性炭復(fù)合材料，記為60%GZ/AC-Nx（x表示煅燒溫度，其值分別為500、650、800 ℃）。為對照分析，相同操作條件下制得單獨的活性炭樣品記AC-N800，單獨的鋼渣樣品記GZ-N800；相同操作條件下改變煅燒氣氛，以氫氬混合氣氛制備的樣品記60%GZ/AC-H800，以氮氣氣氛制備的樣品記60%GZ/AC-D800。

1.3 材料表征

材料的比表面積（SBET）和孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)采用N2低溫吸附/脫附實驗測定。采用D8高級XRD（Bruker），Cu靶Kα輻射（λ=15.418 nm）測定X射線衍射圖，分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)。采用Escalab 250Xi X射線光電子能譜儀（Thermo Fisher Scientific）測試樣品的X射線光電子能譜（XPS），用于研究材料的表面元素化學(xué)組成。

1.4 降解實驗及分析方法

實驗在250 mL三口燒瓶中進行。首先加入200 mL RhB溶液（100 mg/L），加熱至指定反應(yīng)溫度；然后加入一定量的催化劑和氧化劑，開始計時，在不同降解時間內(nèi)進行連續(xù)取樣分析。RhB濃度采用TU-1950型紫外可見分光光度計測定，測定波長為554 nm。此外，為進行對比分析，在相同條件下進行單獨PS氧化降解實驗以及AC-N800、GZ-N800催化PS降解RhB實驗。在掩蔽實驗中，首先在RhB溶液中分別單獨加入自由基掩蔽劑（MeOH、TBA和L-組氨酸），然后在相同的實驗操作下取樣分析RhB的降解速率。在穩(wěn)定性實驗中，將每次循環(huán)使用過后的催化劑通過溶劑過濾器過濾分離出來，然后用去離子水清洗3次，然后進行下一次循環(huán)實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征分析

2.1.1 N2吸附/脫附等溫線

不同60%GZ/AC-Nx復(fù)合材料的N2吸附/脫附等溫線和結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1和表1所示。

表1 復(fù)合材料的比表面積及結(jié)構(gòu)性質(zhì)Table 1 Specific surface area and structural properties of composites

圖1 N2吸附-脫附等溫線和相應(yīng)的孔徑分布Fig.1 N2 adsorption-desorption isothermal of samples and the corresponding pore size distribution curves

依據(jù)IUPAC的吸附-脫附等溫線分類，GZN800的吸附-脫附等溫線屬于Ⅱ型吸附-脫附等溫線，為非多孔結(jié)構(gòu)，相應(yīng)SBET僅為3.3 m2/g。AC-N800的吸附-脫附等溫線屬于Ⅳ型吸附-脫附等溫線，是典型的以微孔結(jié)構(gòu)為主的多孔材料，SBET高達702.1 m2/g。對于60%GZ/AC-Nx而言，當(dāng)煅燒溫度從500 ℃升高到800 ℃，比表面積從365.2 m2/g增大到444.4 m2/g，介孔占比從38.5%提高到47.3%，這可能是由于碳材料表面官能團在高溫條件下從孔的內(nèi)部分解，導(dǎo)致孔發(fā)生膨脹〔9〕。對比不同煅燒氣氛下的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，60%GZ/AC-N800的比表面積和介孔占比均略大于60%GZ/AC-H800和60%GZ/AC-D800，說明復(fù)合材料60%GZ/AC-N800在氨氣氣氛下能形成更豐富的介孔結(jié)構(gòu)。

2.1.2 XRD分析

不同60%GZ/AC-Nx復(fù)合材料及不同煅燒氣氛下復(fù)合材料的XRD見圖2。

圖2 材料的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of samples

不同材料的XRD圖譜如圖2（a）所示，AC-N800在24.4°和43.9°處出現(xiàn)2個寬泛的衍射峰，分別對應(yīng)為C（002）和C（101）的晶面衍射峰，說明AC-N800以無定形碳為主。在復(fù)合材料中，碳的特征衍射峰消失，這主要是與鋼渣的負載堵塞作用有關(guān)。在2θ=26.8°和29.5°處出現(xiàn)硅酸二鈣（2CaO·SiO2）的晶面衍射峰，在2θ=35.6°和47.8°處出現(xiàn)鐵氧化物的晶面衍射峰。對比不同煅燒溫度下60%GZ/AC-Nx的衍射圖譜，隨著煅燒溫度的升高，衍射峰越尖銳。這可能是由于在高溫作用下，金屬氧化物更易于遷移團聚形成較大氧化物，進而形成衍射峰更為尖銳明顯的特征衍射峰。

對比不同煅燒氣氛下復(fù)合材料的衍射圖譜〔圖2（b）〕可 知，60%GZ/AC-N800在44.7°出 現(xiàn) 單 質(zhì)Fe（110）晶面衍射峰，在42.7°出現(xiàn)鐵氮化物的（121）晶面衍射峰；60%GZ/AC-H800在44.7°則出現(xiàn)單質(zhì)Fe（110）晶面衍射峰；而60%GZ/AC-D800并沒有觀察到有單質(zhì)Fe和鐵氮化物的特征衍射峰。這表明在氫氬氣氛和氨氣氣氛下部分鐵氧化物發(fā)生了還原，提高了單質(zhì)鐵的含量；同時，氨氣氣氛的作用有助于形成活性的鐵氮化物。

2.1.3 XPS分析

采用XPS測量分析了各催化材料的表面化學(xué)元素，XPS全譜圖見圖3。

圖3 材料的XPS全譜圖Fig.3 XPS survey spectra of samples

如圖3（a）所示，285.0、400.0、532.0 eV處的峰分別為C 1s、N 1s、O 1s的特征峰，證明N成功地摻雜進了60%GZ/AC-N500、60%GZ/AC-N650和60%GZ/ACN800復(fù)合材料中。然而GZ-N800沒有檢測到N元素的峰，說明氨氣對于鋼渣的摻雜作用較弱，導(dǎo)致其N含量很少，因此XPS無法檢測該元素的存在。對比氨氣、氫氬和氮氣不同氣氛下改性的復(fù)合材料譜圖〔圖3（b）〕，60%GZ/AC-N800檢測到了N 1s的特征峰，60%GZ/AC-H800和60%GZ/AC-D800中檢測到了C 1s、O 1s的特征峰，沒有N 1s的特征峰，說明在氨氣氣氛下通過高溫煅燒進行復(fù)合材料的N元素摻雜改性是可行的。

各催化材料的O 1s、N 1s和Fe 2p XPS譜圖見圖4，各元素的相對濃度見表2～表4。

表2 XPS擬合的材料表面的元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)Table 2 Elemental composition of the surface of samples determined by XPS %

表3 N1s XPS擬合種類N的原子數(shù)分?jǐn)?shù)Table 3 Relative surface concentrations of nitrogen species obtained by fitting the N 1s XPS spectra %

表4 Fe 2p XPS擬合Fe的原子數(shù)分?jǐn)?shù)Table 4 Relative surface concentrations of iron species obtained by fitting the Fe 2p XPS spectra %

圖4 材料的O 1s、N 1s和Fe 2p XPS譜圖Fig.4 XPS spectra of O 1s、N 1s and Fe 2p of samples

高分辨率O 1s的XPS分譜展示了O在60%GZ/AC-Nx表面的化學(xué)狀態(tài)。如圖4（a）所示，O 1s光譜被 擬合為4個峰：O-1（醌型基團 C= = O，531.2 eV），O-2（醚基C—O，酚羥基—OH，532.5 eV），O-3（內(nèi)酯基 或 羧 基O—C= = O，533.5 eV），O-4（吸 附 態(tài)O2或H2O，535.2 eV）〔10〕。由表2可知，對于60%GZ/AC-Nx而言，隨著煅燒溫度的升高，含氧總量下降，其中O-1出現(xiàn)了一定幅度的增大，O-2和O-3出現(xiàn)逐漸下降的趨勢。這可能是由于隨著熱處理溫度的升高，含氧官能團之間發(fā)生了轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的。

圖4（b）顯示了60%GZ/AC-Nx催化劑的N 1s光譜的擬合結(jié)果，N 1s光譜被擬合為5個峰：N-py（吡啶氮，398.2 eV），F(xiàn)e-Nx（Fe配位N，399.7 eV），N-pyr（吡咯氮，400.2 eV），N-g（石墨氮，401.5 eV），N-Ox（吡啶-N-氧化物，404.1 eV）〔11〕。由表2可知，對于60%GZ/AC-Nx而言，隨著煅燒溫度的升高，含氮總量從3.87%下降到2.26%，這可能是由于部分含氮官能團在高溫下性質(zhì)不穩(wěn)定導(dǎo)致的。另外，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，60%GZ/AC-N650和60%GZ/AC-N800中均發(fā)現(xiàn)了Fe-Nx的峰，且60%GZ/AC-N800中的Fe-Nx含量高于60%GZ/AC-N650，該結(jié)果與XRD分析結(jié)果一致。已有文獻報道，F(xiàn)e-Nx在類Fenton反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的催化活性〔12〕。

圖4（c）顯示了60%GZ/AC-Nx催化劑的Fe 2p光譜的擬合結(jié)果，結(jié)合能為706.6 eV的峰表明Fe0的存在〔11〕，位于711.5 eV和724.8 eV處的峰是Fe（Ⅱ）的2p 3/2和2p 1/2，位于714.0 eV和729.0 eV處的峰是Fe（Ⅲ）的2p 3/2和2p 1/2。結(jié)合能為719.7 eV和733.3 eV是Fe氧化物的典型衛(wèi)星峰〔13〕。由表4可知，對于60%GZ/AC-Nx而言，隨著熱處理溫度從500 ℃提高到800 ℃，含鐵總量從0.69%逐漸增加到0.96%，F(xiàn)e2+原子數(shù)分?jǐn)?shù)從0.41%逐漸增加到0.63%，F(xiàn)e0原子數(shù)分?jǐn)?shù)從0.003%逐漸增加到0.029%，直觀證實鋼渣和活性炭在高溫復(fù)合過程中，活性炭具有還原作用，將Fe3+還原成Fe2+和Fe0。相比于Fe3+，F(xiàn)e2+和Fe0更具催化活性〔14〕。

2.2 活化PS降解RhB效果

2.2.1 催化劑的活性評價

在催化劑加量為0.2 g/L、PS加量為0.5 g/L、pH=5.0、反應(yīng)溫度為35 ℃的工藝條件下，不同GZ/ACNx處理100 mg/L RhB廢水的效果如圖5所示。

圖5 各催化材料活化PS降解RhB的效果Fig.5 Degradation of RhB by PS activated by various catalytic materials

由圖5可知，在反應(yīng)30 min后，單獨PS氧化過程對RhB的去除率為23.1%，說明在只加PS的情況下很難有效降解RhB。而當(dāng)添加不同GZ/AC-Nx復(fù)合材料后，RhB去除率都得到不同程度的提升，活性順 序 依 次 為：60%GZ/AC-N500（64.8%）＜60%GZ/AC-N650（79.8%）＜60%GZ/AC-N800（90.7%）。以上結(jié)果表明，隨著煅燒溫度的增大，復(fù)合材料的催化性能增強，其中60%GZ/AC-N800表現(xiàn)出最佳的催化性能。對比不同煅燒氣氛下改性的復(fù)合材料降解RhB的效果，活性順序依次為：60%GZ/AC-H800（52.1%）＜60%GZ/AC-D800（66.3%）＜60%GZ/ACN800（90.7%）。由此可知，通過氨氣改性的復(fù)合材料體現(xiàn)出最好的催化活性。

圖6顯示了不同反應(yīng)時間下，60%GZ/AC-N800活化PS降解RhB在250～750 nm處的吸收光譜。5 min后，在544 nm處的峰強度顯著降低，證實了60%GZ/AC-N800的高催化活性。

圖6 60%GZ/AC-N800活化PS降解RhB全譜圖Fig.6 The full spectrum of 60%GZ/AC-N800 for PS activation to degrade RhB

通常，在PS活化過程中〔式（1）～式（3）〕，首先，F(xiàn)e0和Fe2+與PS反應(yīng)形成SO4·-，其次，剩余的Fe0將Fe3+還原為Fe2+，進一步活化PS形成SO4·-〔14〕。

因而，相比于Fe3+，F(xiàn)e2+和Fe0更具催化活性。結(jié)合之前的XRD和XPS表征結(jié)果可知，隨著煅燒溫度的升高，復(fù)合材料中活性組分Fe0、Fe2+和Fe-Nx含量呈現(xiàn)增大趨勢，其中60%GZ/AC-N800中Fe0、Fe2+和Fe-Nx含量相對較高，因而其具有最佳的催化活性。

為了進一步分析60%GZ/AC-Nx的催化活性，分別用準(zhǔn)一級動力學(xué)、準(zhǔn)二級動力學(xué)研究RhB的降解過程，結(jié)果見圖7。

圖7 動力學(xué)擬合曲線Fig.7 Curves of Kinetic fitting

由圖7（a）和7（b）所示，準(zhǔn)一級動力學(xué)和準(zhǔn)二級動力學(xué)擬合RhB降解過程的線性相關(guān)性（R2）分別達到0.94以上和0.96以上。相比于準(zhǔn)一級動力學(xué)模型，60%GZ/AC-Nx活化PS降解RhB過程很好地符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。隨著60%GZ/AC-Nx煅燒溫度從500 ℃提高到800 ℃，60%GZ/AC-N500、60%GZ/AC-N650和60%GZ/AC-N800活化PS降解RhB的表觀反應(yīng)速率常數(shù)（kapp）由6.13×10-4L（/mg·min）逐漸增加到了1.37×10-3L（/mg·min），是60%GZ/AC-N500催化氧化降解kapp的2倍，由此說明煅燒溫度是影響復(fù)合材料活性的關(guān)鍵因素之一。由圖7（c）可知，通過準(zhǔn)二級動力學(xué)擬合不同煅燒氣氛下的復(fù)合材料活化PS降解RhB的過程發(fā)現(xiàn)，線性相關(guān)性（R2）＞0.96。60%GZ/AC-H800、60%GZ/AC-D800和60%GZ/ACN800活化PS降解RhB的表觀反應(yīng)速率常數(shù)（kapp）分別 為3.50×10-4、7.01×10-4、1.90×10-3L（/mg·min）。60%GZ/AC-N800的kapp是60%GZ/AC-H800的5倍，是60%GZ/AC-D800的3倍，因此，由動力學(xué)分析可知，氮摻雜是提高催化劑活性的有效手段。

2.2.2 工藝參數(shù)影響分析

綜上討論結(jié)果，以最優(yōu)催化劑60%GZ/AC-N800為研究對象，考察分析工藝參數(shù)的影響。在催化劑加量為0.2 g/L、PS加量為0.5 g/L、pH=5.0的工藝條件下，反應(yīng)溫度對催化劑降解RhB（100 mg/L）的影響如圖8所示。

圖8 反應(yīng)溫度對降解RhB的影響Fig.8 Effects of different temperatures on the degradation rate of RhB

如圖8（a）所示，當(dāng)反應(yīng)溫度從25 ℃升高至35 ℃時，60%GZ/AC-N800在30 min內(nèi)對RhB的去除率從79.2%提升至90.3%，這主要歸因于溫度越高越有利于熱活化PS產(chǎn)生更多的SO4.-，加快RhB的降解。當(dāng)反應(yīng)溫度從35 ℃升高至65 ℃時，60%GZ/AC-N800在30 min內(nèi)對RhB的去除率維持在90%的水平，因此在35～65 ℃，通過進一步升溫提高RhB的去除率影響有限。此外，為考察該過程的反應(yīng)動力學(xué)，對不同反應(yīng)溫度的實驗數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)一級動力學(xué)擬合、準(zhǔn)二級動力學(xué)擬合。不同反應(yīng)溫度下60%GZ/ACN800降解RhB的準(zhǔn)一級動力學(xué)、準(zhǔn)二級動力學(xué)參數(shù)擬合結(jié)果見圖8（b）和8（c），60%GZ/AC-N800降解RhB廢水符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，線性相關(guān)性（R2）大于0.92，高于準(zhǔn)一級動力學(xué)模型的擬合系數(shù)（R2＞0.78）。分析準(zhǔn)二級動力學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，在25、35、45、55、65 ℃下的kapp分別為0.001 37、0.003 13、0.003 00、0.002 42、0.002 75 L（/mg·min）。35 ℃時 的kapp為25 ℃時的2.3倍，然而繼續(xù)升高溫度，提升空間有限。根據(jù)實驗的可操作性和催化活性，選擇35 ℃作為后續(xù)實驗的反應(yīng)溫度。

PS加量是影響過硫酸根自由基產(chǎn)量的重要因素，為研究PS加量對降解實驗的影響，在60%GZ/AC-N800加量為0.2 g/L、pH=5.0、反應(yīng)溫度為35 ℃和不同PS加量下處理100 mg/L的RhB廢水，結(jié)果見圖9。

圖9 PS加量對去除RhB的影響Fig.9 Effects of different PS additions on the degradation rate of RhB

由圖9可知，隨著PS加量從0.25 g/L增加到2.0 g/L，RhB的降解速度隨之加快，其去除率由75.6%提升至89.5%。這是因為當(dāng)PS添加量增加時，溶液中產(chǎn)生了更多的SO4·-，增大了RhB與SO4.-接觸頻率。當(dāng)PS質(zhì)量濃度達到2.5 g/L時，反應(yīng)30 min后RhB的去除率較2.0 g/L僅提升了1.2%。一方面可能是由于過量的PS會產(chǎn)生過多的SO4·-，而過多的SO4·-發(fā) 生 了 相 互 猝 滅〔15〕；另 一 方 面 可 能 是 由 于一定的催化劑加量，無法有效地促進PS產(chǎn)生更多的SO4·-。因此，在后續(xù)實驗中適宜的PS加量為2.0 g/L。

通常，PS在酸性條件下比在中性和堿性條件下具有更高的性能，開發(fā)在寬pH范圍內(nèi)具有高活性的催化劑對于其活化PS非常重要。在60%GZ/ACN800加量為0.2 g/L、PS加量為2 g/L、反應(yīng)溫度為35 ℃的工藝條件下，考察pH對催化劑降解RhB（100 mg/L）的影響，如圖10所示。

圖10 溶液初始pH對降解RhB的影響Fig.10 Effects of different pHs on the degradation rate of RhB

由圖10可知，當(dāng)pH分別為3、5、7、9、11時，反應(yīng)30 min后，“60%GZ/AC-N800+PS”對RhB的去除率分別為88.7%、89.5%、92.1%、92.2%、89.8%，表明在pH為3～11的范圍內(nèi)RhB的降解速率比較穩(wěn)定。60%GZ/AC-N800能在較寬的pH操作窗口表現(xiàn)出良好的催化活性，這是由于氮摻雜改性鋼渣/活性炭復(fù)合材料上同時具有多種堿性官能團和酸性官能團，可以起到調(diào)節(jié)材料表面電子結(jié)構(gòu)和酸堿性質(zhì)的作用，以應(yīng)對外部pH的變化，進而具有更寬的操作pH窗口。

2.2.3 機理考察

為確定GZ/AC-N復(fù)合材料在催化PS降解RhB過程中產(chǎn)生的主要活性氧化物質(zhì)，選用60%GZ/AC-N800為催化劑，在催化劑用量為0.2 g/L、pH=5、PS加量為2 g/L、反應(yīng)溫度為35 ℃的工藝條件下，分別進行了自由基掩蔽實驗，實驗結(jié)果如圖11所示。其中MeOH主要抑制溶液中羥基自由基（·OH）和硫酸根自由基（SO4·-），TBA主要抑制溶液中·OH〔16〕。

圖11 自由基猝滅劑對催化過硫酸鹽氧化降解RhB的影響Fig.11 Effects of free radical quenching on the degradation of RhB

首先 分 別 添 加1 mol/L TBA和1 mol/L MeOH，30 min后RhB的去除率分別下降到了82.2%和55.2%。繼續(xù)增大到4 mol/L TBA和4 mol/L MeOH，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)30 min后RhB仍存在57.5%和11.6%的降解。結(jié)果說明溶液中存在SO4·-和·OH促使RhB的部分降解，但仍有部分RhB降解可能是由于其他因素導(dǎo)致?？紤]溶液中可能存在非自由基途徑，非自由基途徑主要是單線態(tài)氧（1O2）。因此，用L-組氨酸來掩蔽1O2〔17〕。如圖11所示，添加20 mmol/LL-組氨酸，30 min后RhB的去除率從89.5%下降到30.5%，證實了溶液中存在1O2。然而，繼續(xù)增大L-組氨酸濃度到80 mmol/L ，發(fā)現(xiàn)對RhB的降解無明顯變化?；谝陨辖Y(jié)果分析可知，60%GZ/AC-N800活化PS降解RhB的過程可以用兩種反應(yīng)機理來解釋，即自由基途徑（SO4·-和·OH）和非自由基途徑（1O2）共同參與了RhB的降解。

結(jié)合材料的表征結(jié)果和自由基掩蔽實驗結(jié)果，60%GZ/AC-N800催化PS降解RhB可能的反應(yīng)過程如下：在自由基過程中，溶液中的S2O82-吸附在60%GZ/AC-N800表面上，形成吸附態(tài)S2O82-，然后復(fù)合材料表面上活性組分（包括Fe0、Fe2+、Fe-Nx和活性炭中富電子官能團等）將電子傳遞給吸附態(tài)，使其分子中O—O鍵斷裂，并形成SO4·-，其中部分SO4·-能促進H2O反應(yīng)生成·OH；在非自由基過程中，S2O82-可以與H2O反應(yīng)生成O2－，然后O2－與·OH反應(yīng)生成1O2。最后，吸附的RhB分子被活性自由基SO4·-、·OH和1O2氧化降解。

2.2.4 穩(wěn)定性考察

穩(wěn)定性是催化劑的重要評價指標(biāo)，是工業(yè)應(yīng)用的前提條件。在催化劑加量為0.2 g/L、PS加量為2.0 g/L、pH=5.0、反應(yīng)溫度為35 ℃的工藝條件下，60%GZ/AC-N800和60%GZ/AC的穩(wěn)定性考察結(jié)果顯示，60%GZ/AC-N800第1次、第2次、第3次、第4次使用后RhB去除率分別為97.1%、88.2%、82.4%、81.4%。60%GZ/AC-D800第1次、第2次、第3次和第4次使用后RhB去除率分別為94.4%、85.3%、76.2%、74.5%。60%GZ/AC-N800連續(xù)循環(huán)使用4次后，反應(yīng)60 min對應(yīng)的RhB去除率從97.1%下降至81.4%，下降幅度為15.7%；而60%GZ/AC-D800連續(xù)循環(huán)使用4次后，RhB去除率從94.4%下降至74.5%，下降幅度為19.9%。60%GZ/AC-N800相比于60%GZ/AC-D800整體的降解效果更好；重復(fù)性實驗中，下降幅度也更低。這說明60%GZ/AC-N800比60%GZ/AC-D800體現(xiàn)出更好的催化穩(wěn)定性。這是因為60%GZ/AC-N800中形成的Fe-Nx結(jié)構(gòu)增強了金屬與載體之間相互作用，有效提升了催化劑的穩(wěn)定性〔8〕。

3 結(jié)論

本研究通過控制氨氣高溫煅燒溫度制備了系列60%GZ/AC-Nx復(fù)合材料。采用N2吸附/脫附、XRD和XPS等手段對樣品的孔結(jié)構(gòu)與表面性質(zhì)進行表征，并將其用于催化氧化降解羅丹明B廢水；分析了反應(yīng)溫度、pH、氧化劑加量等工藝參數(shù)對羅丹明B去除的影響；此外，還對60%GZ/AC-N800催化氧化降解RhB的機理進行了研究。主要研究結(jié)論如下：

1）氨氣高溫煅燒處理鋼渣/活性炭復(fù)合材料有利于形成Fe0、Fe2+和Fe-Nx等活性組分，進而體現(xiàn)出更優(yōu)的催化活性和穩(wěn)定性；

2）在反應(yīng)溫度為35 ℃、PS加量為2 g/L、反應(yīng)時間為30 min和寬pH（3～11）操作條件下，最佳復(fù)合材料60%GZ/AC-N800催化PS降解RhB（100 mg/L）的去除率可達88.7%～92.2%；

3）60%GZ/AC-N800復(fù)合材料催化氧化降解RhB符合準(zhǔn)二級動力學(xué)；

4）自由基掩蔽實驗結(jié)果表明，60%GZ/AC-N800催化PS降解RhB的過程是自由基途徑（SO4·-和·OH）和非自由基途徑（1O2）共同參與反應(yīng)的氧化過程。