二氧化锰晶相对低温微波催化矿化甲苯的影响研究

袁博; 左小萌; 王誉佳; 郝润龙

doi:10.20078/j.eep.20241205

摘要：发展低温区催化矿化技术是治理挥发性有机污染物(VOCs)的重要研究方向.选取甲苯作为研究对象,将兼具催化氧化活性和微波利用能力的MnO2与微波耦合,成功在100～200 ℃低温下将甲苯有效矿化为CO2和H2O.通过水热法成功制备了 α-MnO2、β-MnO2、δ-MnO2和γ-MnO24种不同晶相的MnO2,并从物化特性和微波特性角度量化评估其氧化活性和微波利用潜力.XRD结果表明成功合成了 4种不同晶相的MnO2;SEM和BET结果显示由于δ-MnO2的多孔结构,其具有更大的比表面积(115.3 m2/g)和孔容(0.458 cm3/g);通过升温实验发现,δ-MnO2表现出优异的微波转化能力,在微波功率为400 W下,δ-MnO2从室温升至300 ℃需要600 s,低于另3种MnO2.结合矢量网络测试结果,δ-MnO2具有最强的反射损耗、阻抗匹配和最大的衰减常数,表明δ-MnO2具有最好的微波吸收和利用能力;在反应空速为18 000 h-1时,对比微波辐照下甲苯的矿化效果,发现晶相对MnO2的催化活性有显著影响,δ-MnO2表现出更为优异的低温矿化性能,达到超过90％矿化效率所需的温度为195℃;甲苯矿化的活性次序被确定为δ-MnO2＞α-MnO2＞γ-MnO2＞β-MnO2.此外,δ-MnO2具有良好的稳定性,随着反应时间的增加,甲苯矿化率保持稳定.之后通过GC-MS分析在不同反应温度下甲苯降解产物,结果表明,甲苯降解的副产物主要为酯、酮等有机物,且随着反应温度的升高,副产物数量逐渐减少;当温度为200 ℃时,甲苯被完全氧化为CO2和H2O.综合表征分析、电磁特性和实验结果,发现δ-MnO2优异的低温氧化特性与其独特的微观结构(如结晶度、比表面积、孔容、孔径等)密切相关;同时,其丰富的孔隙结构增强了对微波的吸收和衰减能力,使其最终呈现出最佳的微波吸收和利用特性.