·1172· 工程科学学报，第39卷，第8期 2.2 VOCs,由于正辛烷在水中溶解度极低，使得VOCs去除 Fe,0. 效率受到限制（图9）.而使用核壳结构Fe,O,@C微 2.0f ■ ■ 米粒子做为催化剂时，表面碳层的吸附作用富集了液 1.8 相中的VOCs,增大了催化剂活性位点附近VOCs浓度 y,=0.0024x+1.8.K2-0.9197 y2=0.0020x2+1.2,R2=0.9716 并提高了其与Fenton试剂的接触几率；同时，Fe,O,催 G1.6 化氧化作用可以实现表面碳层的更新，使碳层重新获 得吸附能力，抑制了其吸附能力下降的趋势，因此 1.4 Fe,0@C Fe,0,@C微米粒子中碳层吸附作用与Fe,O,催化氧 12· 化作用之间的协同效应在反应后期更为明显（图9） 协同作用的存在保证e,O,@C微米粒子体系在较长 0 20 40 6080100120140160 时间，tmin 时间内仍能维持对VOCs较高的去除效率，证实核壳 图8Fe,O4、Fe,O,@C两种催化粒子在UV-Fenton氧化反应中 结构Fe,O,@C由于其自身的结构特点，可以作为 反应常数 UV-Fenton去除VOCs的新型高效的催化剂. Fig.8 Rate constants for different catalytic particles in UV-Fenton system 3结论 同时具有吸附和催化氧化作用，而且吸附作用和催化 (1)通过一步水热法制得了核壳结构Fe,0,@C 氧化作用有可能产生了协同效应. 微米粒子，粒子大小均匀，分散性良好.结合扫描电镜 90 1.50 及BET的测定结果可知，核壳结构粒子包覆碳层厚度 Fe,O,@C催化氧化去除率 仅为50m,且属于介孔结构，能够有效提高粒子的吸 75 1.35 附能力，并且对催化表面传质阻力的影响有限.通过 ￥60L Fe,O.@C催化氧化去除率 磁滞回线和振动磁强计数据证明粒子具有超顺磁性， 反应完成后可以通过外加磁场快速、方便地对催化剂 45 Fe.O@C 1,20 进行分离回收从而循环利用.核壳结构F,0,@C微 吸附去除率 30 米粒子制备低成本、方法简单，且能够回收利用，因此 1.05 15r 对与环境治理相关的VOCs的控制排放具有一定的实 Fe,0,@C吸附-催化氧化协同因字 用性 J0.90 0 2040 6080100120 (2)分别考察核壳结构Fe,0,@C微米粒子对气 时间min 泡表观速率影响和对液相中VOCs吸附作用这两个因 图9核壳结构FO,@C微球吸附-催化氧化协同因子 素，发现由于溶液密度和黏度的细微差异，气泡在液相 Fig.9 Cooperation factors of Fe:0@C 中的表观速率只是略有改变；而核壳结构Fe,0,@C由 为了进行证实，采用协同因子[指标来衡量核壳 于包覆碳层的物理吸附作用，导致液相中VOCs的质 结构Fe,O,@C体系中的协同效应，协同因子定义 量浓度显著增加，能够有效提高VOCs与Fenton试剂 如下： 的接触几率.因此核壳结构Fe,O,@C能够增强吸附 能力是影响UV-Fenton去除VOCs效率的主要因素. B= 核壳结构Fe,0,@C微球催化氧化VOCs去除率 (3)在UV-Fenton去除正辛烷、甲苯和乙酸乙酯等 Fe,0,催化氧化VOCs去除率+Fe,0,@C微球吸附V0Cs去除率 典型VOCs反应中，核壳结构Fe,O,@C微米粒子催化 剂的去除效率均明显高于Fe,O.微米粒子催化剂.结 (5) 利用公式(5)计算核壳结构Fe0,@C微米粒子 合反应速率常数及协同因子的计算结果证实了核壳结 为催化剂去除正辛烷的过程中吸附-催化氧化协同因 构Fe,O,@C粒子的吸附和催化氧化作用存在协同效 子，如图9所示.通过计算发现，核壳结构Fe,0,@C 应，使得其在UV-Fenton去除VOCs的过程中能够维持 微米粒子在UV-Fenton去除VOCs的过程中存在明显 较高的去除率. 的协同效应，吸附和催化氧化作用不是简单的叠加，而 参考文献 是相互促进协同作用的过程.Fe,O,@C微米粒子在 [1]Wu RR,Li J,Hao Y F,et al.Evolution process and sources of 纯水中物理吸附VOCs时，粒子表面碳层在较短时间 ambient volatile organic compounds during a severe haze event in 内即达到吸附饱和状态（图6），导致VOCs吸附去除 Beijing,China.Sci Total Enriron,2016,560-561:62 率迅速衰减（图9）.另一方面，单独F,0,催化氧化 [2]Xiao Q,Jiang Z Y,Zhang XX.Numerical simulation and appli-工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 图 8 Fe3O4 、Fe3O4@ C 两种催化粒子在 UV鄄Fenton 氧化反应中 反应常数 Fig. 8 Rate constants for different catalytic particles in UV鄄Fenton system 同时具有吸附和催化氧化作用,而且吸附作用和催化 氧化作用有可能产生了协同效应. 图 9 核壳结构 Fe3O4@ C 微球吸附鄄鄄催化氧化协同因子 Fig. 9 Cooperation factors of Fe3O4@ C 为了进行证实,采用协同因子[19]指标来衡量核壳 结构 Fe3O4 @ C 体系中的协同效应,协同因子定义 如下: 茁 = 核壳结构Fe3O4@ C 微球催化氧化 VOCs 去除率 Fe3O4 催化氧化 VOCs 去除率 + Fe3O4@ C 微球吸附 VOCs 去除率 . (5) 利用公式(5) 计算核壳结构 Fe3O4 @ C 微米粒子 为催化剂去除正辛烷的过程中吸附鄄鄄催化氧化协同因 子,如图 9 所示. 通过计算发现,核壳结构 Fe3O4 @ C 微米粒子在 UV鄄Fenton 去除 VOCs 的过程中存在明显 的协同效应,吸附和催化氧化作用不是简单的叠加,而 是相互促进协同作用的过程. Fe3O4 @ C 微米粒子在 纯水中物理吸附 VOCs 时,粒子表面碳层在较短时间 内即达到吸附饱和状态(图 6),导致 VOCs 吸附去除 率迅速衰减(图 9). 另一方面,单独 Fe3O4 催化氧化 VOCs,由于正辛烷在水中溶解度极低,使得 VOCs 去除 效率受到限制(图 9). 而使用核壳结构 Fe3O4 @ C 微 米粒子做为催化剂时,表面碳层的吸附作用富集了液 相中的 VOCs,增大了催化剂活性位点附近 VOCs 浓度 并提高了其与 Fenton 试剂的接触几率;同时,Fe3O4 催 化氧化作用可以实现表面碳层的更新,使碳层重新获 得吸附能力,抑制了其吸附能力下降的趋势,因此 Fe3O4@ C 微米粒子中碳层吸附作用与 Fe3O4 催化氧 化作用之间的协同效应在反应后期更为明显(图 9). 协同作用的存在保证 Fe3O4@ C 微米粒子体系在较长 时间内仍能维持对 VOCs 较高的去除效率,证实核壳 结构 Fe3O4 @ C 由于其自身的结构特点,可以作为 UV鄄Fenton去除 VOCs 的新型高效的催化剂. 3 结论 (1)通过一步水热法制得了核壳结构 Fe3O4 @ C 微米粒子,粒子大小均匀,分散性良好. 结合扫描电镜 及 BET 的测定结果可知,核壳结构粒子包覆碳层厚度 仅为 50 nm,且属于介孔结构,能够有效提高粒子的吸 附能力,并且对催化表面传质阻力的影响有限. 通过 磁滞回线和振动磁强计数据证明粒子具有超顺磁性, 反应完成后可以通过外加磁场快速、方便地对催化剂 进行分离回收从而循环利用. 核壳结构 Fe3O4 @ C 微 米粒子制备低成本、方法简单,且能够回收利用,因此 对与环境治理相关的 VOCs 的控制排放具有一定的实 用性. (2)分别考察核壳结构 Fe3O4 @ C 微米粒子对气 泡表观速率影响和对液相中 VOCs 吸附作用这两个因 素,发现由于溶液密度和黏度的细微差异,气泡在液相 中的表观速率只是略有改变;而核壳结构 Fe3O4@ C 由 于包覆碳层的物理吸附作用,导致液相中 VOCs 的质 量浓度显著增加,能够有效提高 VOCs 与 Fenton 试剂 的接触几率. 因此核壳结构 Fe3O4 @ C 能够增强吸附 能力是影响 UV鄄Fenton 去除 VOCs 效率的主要因素. (3)在 UV鄄Fenton 去除正辛烷、甲苯和乙酸乙酯等 典型 VOCs 反应中,核壳结构 Fe3O4@ C 微米粒子催化 剂的去除效率均明显高于 Fe3O4 微米粒子催化剂. 结 合反应速率常数及协同因子的计算结果证实了核壳结 构 Fe3O4@ C 粒子的吸附和催化氧化作用存在协同效 应,使得其在 UV鄄Fenton 去除 VOCs 的过程中能够维持 较高的去除率. 参 考 文 献 [1] Wu R R, Li J, Hao Y F, et al. Evolution process and sources of ambient volatile organic compounds during a severe haze event in Beijing, China. Sci Total Environ, 2016, 560 - 561: 62 [2] Xiao Q, Jiang Z Y, Zhang X X. Numerical simulation and appli鄄 ·1172·