[发明专利]一种磁性铁铈金属氧化物固体酸催化剂的制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性金属氧化物固体酸催化剂的的合成及该催化剂在类Fenton反应中的应用。在技术上涉及无机合成化学及染料废水处理等领域。

背景技术

目前我国各种染料产量已达90万t，染料废水已成为环境重点污染源之一。染料行业品种繁多、工艺复杂。废水中含有大量的有机物和盐份，具有COD高、色泽深、酸碱性强等特点，一直是废水处理中的难题。对染料废水的处理方法很多，归纳起来主要有物理法、化学法、生物法或这些方法的组合。在众多的处理方法中，Fenton法因其反应条件温和、降解效率高、操作方便、成本低廉，成为染料废水处理的一种主要手段。传统的Fenton法是一种采用H₂O₂为氧化剂、Fe²⁺为催化剂的均相催化氧化法。在酸性条件下，H₂O₂产生的·OH具有较高的氧化还原电位，能迅速氧化废水中的污染物而无选择性，可使废水中难于生物降解的大分子有机物裂解为易于被微生物降解的小分子有机物，或者完全矿化为CO₂和H₂O₂。但是，均相Fenton法也存在一些不足：反应要在pH≈3左右的环境下进行，反应前后需要调节废水的pH值，需要耗费大量的酸和碱；双氧水的利用率有待提高；出水因含大量的铁离子而显示颜色，铁离子难以回收且易产生二次污染等等。近年来，铁离子的固定化成为Fenton技术的研究方向。用铁系固体催化剂代替溶液中的亚铁离子，与过氧化氢构成非均相Fenton反应体系，既可以有效地降解染料，又能克服传统均相Fenton体系的诸多缺点，是一种极具应用前景的染料废水处理技术。因而，非均相Fenton催化剂的开发是当前的研究热点。而目前所报道的大部分催化剂都不能满足工业生产的实际需求：有些催化剂催化效率低，需要很长时间才能实现降解；有些催化剂催化性能的发挥需要光的辅助；有些催化剂需要较高的温度才能起到催化降解作用。因此开发一种在常温下能快速降解染料、且能重复利用的催化剂具有实际意义。

Fe₃O₄是一种重要的尖晶石铁氧体，是一种软磁性材料，在非均相Fenton方法经常被用作代替均相铁离子的催化剂。CeO₂具有稳定的立方体萤石结构，具有较高的储氧和释放氧的能力，是稀土氧化物系列中活性最高的一个氧化物。将CeO₂和Fe₃O₄复配使用，可通过过渡金属间的协同作用显著提高催化剂的活性，若将其用于非均相Fenton体系可提高过氧化氢的利用率。这种新型的复合金属氧化物还具有比较高的表面酸性，是一种固体酸催化剂，用于染料废水的降解无须事先调节体系的pH值，可以实现近中性条件下染料的直接快速降解。此外，固相催化剂与液相反应体系的分离一直是工业上面临的重要问题，目前基于过滤分离的循环使用方法费工费时，且易造成固相催化剂载体和活性组分的流失。而本专利所述的复合型金属氧化物催化剂具有磁性，在外加磁场下可实现催化剂与溶液的快速有效分离，有利于催化剂的重复利用，是一种极具应用前景的固体酸催化剂。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术遇到的困难，提供一种催化效率高、有磁性、易回收、可重复利用，且能与过氧化氢构成非均相Fenton体系催化降解有机染料废水的固体酸催化剂。

铁铈金属氧化物催化剂的制备工艺简单，合成路线如下：

以无水乙醇为溶剂，聚乙二醇为分散剂，将二者按照一定比例混合，并搅拌均匀。然后将硝酸铈胺和硫酸铁按照一定比例加入到乙醇和聚乙二醇的混合溶液中，搅拌均匀。在上述体系中加入氨水，调节pH值至弱碱性，搅拌，制得溶胶。将溶胶置于烘箱中50-80℃干燥12h，再将干燥后的产物置于马弗炉中高温(400-600℃)焙烧一段时间，即制得所需催化剂。

将制得的催化剂降解染料废水的技术方案如下：

于100mL小烧杯中，加入一定量的染料溶液及一定量的催化剂，加入双氧水，开动磁力搅拌器，同时开始计时，观察颜色变化。定时取出部分溶液，用分光光度计监测吸光度的变化，计算不同时间的脱色率。

本发明的优点：

1.制备工艺简单，无须复杂的设备，操作简便。

2.催化剂颗粒为纳米级别，比表面大，催化效率高，无选择性，能快速使各类染料褪色。

3.反应条件温和，在低温及常温下都可实现快速褪色。