臭氧作为一种强氧化剂在高级氧化技术(AOPs)中已被广泛采用。草酸作为多种复杂有机物的中间产物或最终产物,与臭氧分子反应缓慢,是臭氧氧化水处理工艺中的瓶颈。而利用非均相催化剂能够提高臭氧的氧化能力,因此本研究采用两种改性氮化硅催化剂(分别以Si-N:Fe. Si-N:Fe/Al2O3表示),从其表面和结构特性、最佳反应条件控制、反应机理验证、降解草酸效果等几个方面进行了非均相催化臭氧化反应降解草酸的实验研究,并对催化剂的连续使用性以及反应动力学模式进行了初步探索。实验得出以下结果：①Si-N:Fe及Si-N:Fe/Al2O3两种催化剂是以α-Si3N4和β-Si3N4晶体为主,主要含有FeSi. Fe、Al2O3、Si2N2O成分,分别为表面光滑紧密的多面柱状晶体和鱼鳞式片状晶体,铁含量分别为82090mg/kg和41650mg/kg,比表面积分别为0.7693m2/g和0.4695m2/g,表面零电荷点分别为4.2、3.1,其FTIR特征吸收峰主要位于424cm-1～580cm-1低频率谱带；②体系的最佳反应条件为pH=3.0, Si-N:Fe投加量0.1g(Si-N:Fe/Al2O3投加量0.25g),进流臭氧浓度40mg/L,流量200mL/min。而当体系的pH大于催化剂的表面零电荷点(pHpzc),催化剂将失活；③氢氧自由基为草酸降解的主要作用机理,而氢氧自由基的产生速率是由体系中析出的铁离子及催化剂表面活性位置的数量共同决定的,其中铁离子的络合平衡体系是控制降解速率的关键因素。综合比较两种催化剂,Si-N:Fe/Al2O3相比Si-N:Fe表现出相对更好的催化活性,其投加剂量的适用范围更广、进流臭氧浓度的影响效果更显著;④添加Si-N:Fe及Si-N:Fe/Al2O3两种催化剂的非均相催化臭氧化降解草酸反应与二阶降解反应拟合度最高,且反应速率常数较单纯臭氧提高了个1～2个数量级,对草酸的去除效率分别达到74.6%、85.7%,较单纯臭氧的作用效果提高了57%、68.17%,且草酸矿化程度高,相比蜂窝陶瓷与三价铁离子均有更好的催化效果。通过非均相催化臭氧化反应降解草酸实验的研究,发现本研究所使用的改性氮化硅系列催化剂能够有效提高草酸的降解效率,研究成果为中试及进一步工程化提供了科学依据,同时为氮化硅催化剂的进一步优化改性提供了理论依据。
