基本信息
- 项目名称：
- 缺位型Mo系杂多酸盐的合成、表征及超声催化降解染料废水的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本实验主要制备了Keggin结构的Ni-Mo-Zr杂多酸盐，并以此杂多酸盐为催化剂，研究其对直接耐晒果绿染料的降解效果。 利用热重/差热(TG/DTA)分析、红外光谱(IR)、紫外光谱(UV)、X射线衍射(XRD)、电镜扫描(SEM)对合成物进行表征；在超声辅助作用下以杂多酸盐为催化剂研究了杂多酸盐投加量、染料废水的初始质量浓度、pH值、溶液温度、超声频率和超声功率等因素对降解率的影响。
- 详细介绍：
- 染料废水由于含有多种有机物及中间体，色度深，难降解，pH值波动大且浓度高，一直是工业废水处理的难点。光催化氧化法处理染料工业废水是一项极具有发展前景的新技术，他可在常温常压下反应、条件温和，且可以将有机物降解为无毒害的无机物的优点，成为目前水处理的研究热点，具有代表性的光催化剂是TiO2。而用TiO2作光催化剂降解有机污染物，在某些情况下，由于生成了稳定的中间体，使其不能彻底矿化为CO2、H2O等无机离子。另外，TiO2光催化效率比较低，因此有必要针对不同的有机物，筛选不同于TiO2的其他催化材料。近年来，具有与TiO2相似功能的杂多酸（盐）引起了人们广泛关注。杂多酸是由杂原子（如P、Si、Fe、和Co等）和多原子（如Mo、W、V、Nb和Ta等）按一定的结构通过氧原子配位桥联组成的一类含氧多酸。它不但具有酸性，而且具有氧化还原性，是一种多功能的新型催化剂，杂多酸稳定性好，可作均相及非均相反应，甚至可作相转移催化剂，对环境无污染，是一类大有前途的绿色催化剂，它可用作以芳烃烷基化和脱烷基反应、酯化反应、脱水/化合反应、氧化还原反应以及开环、缩合、加成和醚化反应等。因杂多酸独特的酸性、“准液相”行为、多功能（酸、氧化、光电催化）等优点被众多学者作为光催化剂广泛的应用在水处理领域。 杂多酸通常具有典型的键合方式和空间结构。按照中心原子与杂原子的数目比和堆积方式不同，杂多酸主要分为1:12系列A型（Keggin结构）、1:12系列系列B型（Silverton结构）、2:18系列（Dawson结构）、1:9系列（Waugh结构及Keggin衍生结构）、1:6系列（Aderson结构）、1:11系列及（1：11）2双系列、2:17系列及（2:17）2双系列。杂多酸的Keggin结构，在多酸历史上具有划时代的意义。1934年曼彻斯特Bragg研究小组的年轻学者J,F.Keggin，将含约30个水的12-钨磷酸经P2O5脱水的H3PW12O40·5H2O，做X-射线粉末衍射实验，得到32条尖锐的衍射线桶计算值，同计算值进行比较，提出了著名的Keggin结构模型。40年后，即1974年再次测定，确证Keggin结构是正确的。Keggin型的杂多酸及其盐由于其结构确定、容易合成，并且以基本的杂多阴离子为前驱物可衍生出一系列种类繁杂、数目庞大的衍生物，使其催化剂种类和活性得到了大大的提高。其独特的物理结构，不但具有类似浓溶液的“准液相”行为，而且具有比Dawson型等金属多氧酸盐更高的稳定性，因而在均相和多相有机反应中是理想的兼具酸性和氧化性的双功能催化剂，其催化活性和选择性超过复合氧化物和分子筛。作为氧化性催化剂时，具有高活性，不腐蚀设备，减少污染等优点。 1:11系列杂多化合物，是由法国科学家Souchay最先发现的，他在碱化饱和型的Keggin结构[XM12O40]n-杂多阴离子时，制得了不饱和型的1:11系列杂多阴离子。这些缺位衍生物，是从完整的Keggin结构中，除去一个化学计量的八面体MOn+基团而制成的。单晶测定证明，11系列杂多阴离子仍保持基本的Keggin结构。当失去其中的一个八面体MO基团，就出现了一个空缺M的位置。它是迄今为止数量最多用途最广的一类缺位型阴离子。它是一类最重要的阴离子配体，起着五齿配体的作用。 杂多化合物是一种结构新颖，具有独特催化性能的催化剂。研究杂多化合物化学的催化性能离不开多酸合成化学的支撑。随着合成化学的蓬勃发展，各种新的合成方法不断出现。
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撰写目的和基本思路
- 目的：在废水处理领域中，Keggin型杂多酸盐具有优良的催化性能，以Mo系1：11杂多酸盐为研究对象，对其进行合成及表征，同时通过其对染料废水的处理能力的单因素实验，考查它在印染废水处理中的实用性。 基本思路：制备Keggin型杂多酸盐催化剂，对催化剂进行表征。以酸性绿B（AGB）为模版污染物，对其进行单因素变化试验。在超声波作用下，观察各因素对光催化降解效果的影响。
科学性、先进性及独特之处
- 首次合成Keggin型结构的Mo系1：11杂多酸盐，并通过红外、紫外、X-射线衍射、扫描电镜对其进行表征，研究其作为催化剂对模拟酸性绿B（AGB）染料废水的降解效果。首次实现了杂多酸盐和超声波的结合。
应用价值和现实意义
- 杂多酸不但具有酸性，而且具有氧化还原性，是一种多功能的新型催化剂，杂多酸稳定性好，可作均相及非均相反应，甚至可作相转移催化剂，对环境无污染，是一类大有前途的绿色催化剂，它可用作以芳烃烷基化和脱烷基反应、酯化反应、脱水/化合反应、氧化还原反应以及开环、缩合、加成和醚化反应等。因杂多酸独特的酸性、“准液相”行为、多功能（酸、氧化、光电催化）等优点被作为光催化剂广泛的应用在水处理领域。
学术论文摘要
- 本文主要制备了Keggin型结构的Ni-Mo-Zr杂多酸盐，并以此杂多酸盐为催化剂，研究其对直接耐晒果绿染料的降解效果。首先通过同步热重/热差分析以计算杂多酸盐所携带的结晶水；然后利用红外光谱(IR)、紫外光谱（UV）、X射线衍射（XRD）对合成的产物进行表征，以确定本实验合成的杂多酸盐是否具备Keggin型结构；再利用扫描电镜（SEM）对合成杂多酸盐的晶体结构进行分析,最后在超声辅助作用下以杂多酸盐为催化剂研究了杂多酸盐投加量、染料废水的初始质量浓度、pH值、溶液的温度、超声频率和超声功率等因素对降解率的影响。实验结果表明，该杂多酸盐携带20个结晶水，具有比较典型的Keggin型结构；当杂多酸盐的投加量为0.6g/L、染料废水的初始浓度为20mg/L、初始pH=7时，用100kHz超声频率，在温度为40℃、功率为50W的条件下辐射6min，染料废水的降解率最高可达86%，是一种比较理想的可用于降解染料废水的新型催化材料。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 实验表明本实验合成的Ni-Mo-Zr杂多酸盐是一种比较理想的可用于降解染料废水的新型催化材料。
参考文献
- <1>刘景福，王晓红，马建方，等.Keggin三取代型杂多阴离子183W NMR化学位移的特征模式[J].高等学校化学学报，1999，20：769-774 <2>蒋小平,刘芳,张敏,等. Keggin型钼钒磷杂多酸催化H2O2氧化蒽制备蒽醌.湖南科技学院学报,2008, 29(4): 44-46 <3>罗茜,简敏,张进,等.硅钼钒和硅钨钒杂多酸的制备及其在苯直接羟基化脂苯酚中的活性研究.化学研究与进展,2006, 18(6): 629-633
同类课题研究水平概述
- 随着环保要求的日益严格，研究者们正在加紧开发环境友好的固体酸催化剂代替传统的硫酸、氢氟酸及三氯化铝催化剂。杂多酸(盐)催化剂是一类对环境友好的新型催化材料，它在避免腐蚀和污染问题的同时，又能保持低温活性高的优点。 目前，关于杂多酸的研究主要集中在固载型杂多酸的催化研究领域以及通过向传统杂多化合物上引入过渡金属、有机金属、含手性配体的金属及有机分子从而得到特定功能的新型催化剂。
