[发明专利]一种非晶铜系催化剂及其应用

说明书

技术领域

    本发明属于微纳米催化材料制备技术领域，特别涉及一种用于高效降解有机染料废水的非晶铜系催化剂和应用。

背景技术

水是人类赖以生存，维持生命的最为基本物质。然而，随着工业的发展，环境污染尤其是水体污染越来越严重。由于染料废水色度高，成分复杂，化学需氧量高，且具有较大的生物毒性，所以染料工业已经成为化学工业中对环境污染严重的产业之一。

染料废水的处理一直是工业废水处理领域的难点。目前国内外对于染料水的处理方法主要有物理法、化学法、生物法以及一些高级氧化技术等。高效湿式氧化法类属于高级氧化技术，可以将废水中的有机污染物氧化成小分子，提高废水的可生化性。该方法在常压下进行，能耗低，投资少，而且可以大大提高有机物的降解率。湿式氧化分为均相催化和多相催化。均相催化氧化尽管处理废水的效果较好，但存在酸度范围窄、生成大量沉淀需进一步处理、催化剂易流失造成二次污染等问题。因此催化氧化法的关键是高效非均相氧化催化剂的开发。

由于铜系催化剂活性高和廉价易得而成为非均相催化氧化法中的主要研究对象。Xiao等人[F. S. Xiao, et a.l Journal of Catalysis 2001, 199: 273-281]首先发现合成的羟基磷酸铜是一种具有良好应用前景的新型催化材料，研究了以双氧水作氧化剂的一系列催化氧化反应，探讨了羟基磷酸铜在催化氧化中的催化机理，提出羟基磷酸铜是羟基自由基的反应；Zhan等[Y. Z. Zhan, Journal of Hazardous Materials 2010, 180: 481-485]采用氯化铜与磷酸二氢铵作原料，正硅酸乙酯作添加剂，通过水热合成制备出均匀的拉长八面体碱式磷酸铜，并探讨了pH值，催化剂装载量，染料浓度等因素对碱式磷酸铜降解直接深棕的影响；沈启慧等人[沈启慧等，高等学校化学学报 2008, 7, 1331-1333]不使用有机胺和尽量减少磷酸使用量的条件下通过水热法成功合成制备出羟基磷酸铜，该方法降低水热晶化的温度, 缩短了合成所需要的时间，且制备出的羟基磷酸铜在催化苯酚羟基化反应中表现出较高活性，在反应30min后苯酚羟化的转化率为26.12%。

有关铜系催化剂粉体的制备方法以及性能的探讨并未在上述内容中一一涉及，但可得知铜系催化剂粉体的催化性能主要由其自身结构、形貌、比表面积与结晶性能等因素所决定，所以要想显著提高铜系催化剂粉体的催化性能，最佳的方法就是从其制备方法出发，控制合成出具有更为优越催化性能的催化剂粉体材料。

在探索各种有效途径和方法合成制备催化剂粉体的同时，也应从清洁合成制备开始，通过改进工艺，降低能量的损耗和废液处理的费用，提高合成过程的环境友好性。双氧水作为一种最为清洁环保的氧化剂，广泛应用于染料废水处理过程中，但是双氧水仅仅只是运用于催化氧化过程中，鲜有文献报道将双氧水运用到催化材料，尤其是非晶铜系催化剂的制备过程中。

发明内容：

    本发明的目的是提出一种用于高效降解有机染料废水的非晶铜系催化剂、制备方法和应用。该制备方法无需先行制备模板和使用任何表面活性剂，反应温和，工艺简单，成本低廉，周期短，制备的产物为非晶铜系催化剂，并且所制备的非晶铜系催化剂粒径均一，且具有较高的催化活性。该非晶铜系催化剂可应用于有机染料废水的降解。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

本发明的技术方案之一：

一种非晶铜系催化剂，由以下方法制备得到：

1）将可溶性磷酸盐溶于双氧水制得混合溶液，所述混合溶液中磷酸根离子的浓度为0.01mol/L-0.5mol/L；在搅拌的同时将铜离子浓度与混合溶液中磷酸根离子浓度相同的可溶性铜盐溶液加入所述混合溶液中，所述混合溶液的体积为可溶性铜盐溶液体积的1.2倍以上；继续搅拌25-35min，离心得沉淀，将沉淀用去离子水洗涤2-3次；

2）将所述沉淀分散于去离子水中得悬浮液，控制所述悬浮液中的固含量不大于20wt%；所述悬浮液在60℃-130℃的温度下密封老化处理4h以上，然后冷却，用去离子水和乙醇洗涤2-3次，再在60℃下烘干，得非晶铜系催化剂。

所述双氧水的质量浓度优选为20wt%-30wt%。

    所述混合溶液中磷酸根离子的浓度优选为0.02mol/L-0.4mol/L。

所述混合溶液的体积优选为可溶性铜盐溶液的1.2倍-5倍。

所述悬浮液优选在80℃-120℃的温度下密封老化处理4h-15 h。