[发明专利]一种基于强化臭氧吸附的多相催化臭氧氧化除污染技术及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于强化臭氧吸附的多相催化臭氧氧化催化剂的制备及其在催化臭氧氧化除污染技术中的应用。

背景技术

随着医药及洗化行业的大规模发展，药物及个人护理品(Pharmaceutical and Personal Care Products，PPCPs)的生产和使用量迅猛增长，导致它们在水、大气和土壤环境中均有残留。但直到20世纪90年代末，它们才被看作为一大类环境污染物而被广泛关注。由于PPCPs被持续不断地输入环境，它们在环境中的残留浓度呈上升趋势(含量在ng/L～μg/L)。长期食用含PPCPs的饮用水，相当于连续食用一定剂量的副作用不明的药物，各种化学物质在人体内交互反应，产生化学反应，这种危害首先体现在对人体生殖系统的严重伤害，且其对微生物以及动植物也具有生态毒性。污水处理厂中检测到的PPCPs代表物质有抗微生物药、解热止痛消炎药、雌激素和其他药品(如调血脂药、抗癫痫药、镇定剂、造影剂等)以及化妆品中常用的香料。非那西丁是一种常见的抗生素，具有解热镇痛作用，常用于治疗发热头痛，神经痛等，是世界上第一种退烧、降温药物，但其在地表水、地下水、饮用水、土壤和污泥中的出现，将会给水环境质量及生态系统安全带来隐患，应该加强常规水处理技术对水中PPCPs的去除能力。

传统的给水处理和污水处理工艺对水中的PPCPs的去除能力都是有限的，因此有必要采用臭氧氧化技术进行深度处理。由于PPCPs电子特性不同，臭氧氧化与各种PPCPs的反应活性不同。而抗生素与臭氧有很好的反应性，因为在抗生素分子中有一个或多个电子供体基团，如碳碳双键、活性芳香环体系、硫原子等。然而，由于臭氧对此类官能团的选择性氧化，将产生大量不能臭氧氧化的副产物或中间产物，导致臭氧氧化技术对抗生素的矿化作用较弱。此外，产生臭氧要耗大量电能，在经济学角度和节能减排的社会背景下，存在着诸多不合理和不易长期使用的缺陷。催化臭氧技术将臭氧的强氧化性和催化剂的吸附、催化特性结合起来，强化臭氧对抗生素及其他PPCPs的去除效能及矿化能力。一般用于多相催化臭氧化的催化剂均为固态催化剂，二次污染少，简化了处理流程，因而越来越引起人们的广泛重视。在多相催化臭氧化技术中涉及的催化剂主要是金属氧化物(Al₂O₃、MnO₂等)、负载于载体上的金属或金属氧化物(Cu/TiO₂、Cu/Al₂等)以及具有较大比表面积的孔材料。这些催化剂的催化活性主要表现对臭氧的催化分解和促进羟基自由基的产生。然而，这些催化剂的显著优势是其粉末形态的高催化活性，但不利于实现水相中的分离，因此有必要研制新型的催化剂，在保证具有高催化活性的同时具有易水相分离的特性。

锰铁尖晶石(MnFe₂O₄，MFO)催化剂，集成了MnO_x、Fe_xO_y等多种形态锰铁氧化物各自优越的吸附催化性能，有效地增加水中溶解性臭氧含量，进而可以作为催化剂有效提高臭氧对水体中的非那西丁等PPCPs强化去除效果；更重要的是锰铁尖晶石具有磁性，可以通过磁场完成其在水中的分离，为催化剂的清洗和多次循环使用提供了新方法。此外，我国锰和铁蕴藏丰富，以锰和铁为原料构建的高效催化剂，具有成本相对低廉、易获得等优势。锰铁尖晶石催化剂采用锰盐、铁酸盐以及碱液共沉淀的方法制备而成，工艺简单，便于操作，且催化剂的制备周期相对较短，在含PPCPs的饮用水或污水处理中具有潜在的应用前景。

发明内容

1.本发明的技术方案如下：

锰铁尖晶石催化剂的制备方法可以通过以下几个步骤实现：

(1)准确称量6.275g Mn(NO₃)₂·4H₂O和20.2g Fe(NO₃)₃·9H₂O，并溶解于100mL的去离子水中，使得溶质完全溶解，以得到澄清溶液，上述溶液搅拌溶解0.5h；

(2)准确称量80g NaOH，并用250ml去离子水全部溶解；；

(3)向Mn(NO₃)₂和Fe(NO₃)₃的混合溶液中逐滴加入75mLNaOH溶液，并调整混合溶液pH值至7～8之间，获得均质的悬浊液；

(4)将上述悬浊液放置于水浴中加热至90℃，并在此温度下陈化2h；