[发明专利]一种室温条件下催化消毒的高效氧化催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明应用于环境催化技术领域，涉及室温条件下对致病性微生物的催化氧化去除，实现对饮用水的消毒和净化，减小疾病对人体的危害。

背景技术

由于水中的细菌、病毒及其它污染物的存在，给人类的生活带来极大的危害。据统计，人类80％的疾病是由水污染造成的，而其中的致病性微生物污染则是引起疾病的主要杀手。2003年的SARS病毒以及紧随其后的禽流感疫情的肆虐，更唤起了公众对自身居住环境杀菌、消毒的强烈意识，推动了环境及医疗领域对抗菌剂的开发和研究。

目前应用较多的饮用水消毒技术有氯气消毒法、臭氧消毒法以及紫外线消毒法等。其中应用时间最久的传统的氯气消毒法经最新研究表明极易与水中的有机污染物反应产生三氯甲烷等致癌副产物，臭氧消毒法则易于将水中的溴离子氧化为对人体有害的溴酸根等副产物，另外消毒过程中所使用的紫外线和臭氧均需要现场制备，设备复杂。

近年来，以半导体材料尤其是无毒无害的TiO₂为催化剂的光催化氧化技术成为饮用水消毒技术的研究热点，但其在实际应用中的存在的问题是，为保证较高的催化活性，除了要以TiO₂纳米粉体或薄膜作为光催化剂外，仍需使用紫外光或近紫外光激发TiO₂产生强氧化性中间体杀死微生物，这就使得该种技术不仅原料制备方法复杂，技术要求高，而且整体设备复杂导致成本较高，如专利96197457.5和98240831.5。这些明显的不足限制了该种技术在大规模水厂中的推广应用。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种不需要紫外光也不需要其他光电能源在室温下就可实现对致病微生物彻底催化氧化去除的催化剂，在环保和节能的前提下达到杀灭微生物和净化水源的目的。该催化剂使用简单易得的金属氧化物和少量贵金属及过渡金属为原料，制备方法简单。且杀菌作用持久，不需要复杂的附属设备和外在条件。

本发明的科学原理叙述如下：现代表面科学的研究结果表明，室温下氧气吸附在很多过渡金属和一些贵金属表面可以解离成吸附状态的氧原子或带电荷的过氧或超氧自由基。这些自由基具有极强的氧化性，因而杀菌活性极高。我们在近期的研究中发现了一种负载性纳米尺度高分散金属催化剂，可以在室温下将空气中的微生物及甲醛彻底氧化分解为水和二氧化碳，这些科学发现更加印证了利用空气中的氧或水中溶解氧为氧化剂，在特定的催化剂表面上实现高效杀灭微生物的可能性。同时进一步的研究表明，适量稀土元素的掺杂可以有效抑制活性金属组分的团聚，促进其在载体表面的分散，使得催化剂性能更加稳定而不易变色。而且这种催化氧化消毒作用，不会对人体和环境产生任何副作用。

本发明的催化剂以金属磷酸盐为主体，负载1～6％的活性金属组分，并掺杂一定比例的稀土元素。其中金属磷酸盐由三氧化二铝(拟薄水铝石、沸石)、二氧化硅(硅藻土)中至少一种金属氧化物与1～5mol/L的磷酸在50～60℃、常压条件下搅拌反应1～3h得到。磷酸盐本身是一种具有吸附功能和催化功能的优良载体，在实验条件下现场制备的磷酸盐载体具有更大的比表面积和活性。活性金属组分由银、铜、锌中一种或几种金属同时或以任何先后顺序负载在磷酸盐载体上。负载采用浸渍法，即按照1～6％(金属元素重量换算值)负载量的比例将该金属的硝酸盐溶液直接加入到上述载体溶液中，同时按照活性金属组分与稀土元素原子个数比为1∶1的比例加入稀土元素铈或镧的硝酸盐溶液，在室温条件下充分搅拌反应1～3h。负载完成之后，用旋转蒸发仪于60℃蒸发掉水分，再放入烘箱中于120℃烘干过夜，最后经马弗炉于600℃空气中焙烧3～8h即制得催化剂。将催化剂根据需要筛分到一定的目数的颗粒备用。

前述的催化剂，根据不同的需要，可以制成各种结构，如负载在各种金属制成的蜂窝或筛网结构壁表面上，以及纤维质的滤网、滤布上，或开孔泡沫体也可以用作催化剂的结构性载体。用于各种饮水机、净水器以及矿泉壶等物品的过滤净化装置。

本发明制备过程简单，操作方便。同现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的催化剂制备原料低廉易得，制备工艺简单，可有效应用于室温条件下饮用水中致病微生物的氧化去除，且耐热耐高温，不易变色，性能稳定。

(2)本发明的催化剂使用时，以水中溶解氧为氧化剂，在室温无需光照条件下即具有高效、持久的杀菌活性，并能进一步将微生物彻底氧化分解为水和二氧化碳等无害小分子，从而达到消毒净化的目的。