[发明专利]一种磁性纳米CuxO‑Fe2O3臭氧催化剂的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种磁性纳米材料Cu_xO-Fe₂O₃臭氧催化剂的制备方法及其在催化臭氧去除废水中污染物中的应用，属于废水深度处理和环境催化技术领域，适用于难降解有机废水的处理。

背景技术

臭氧具有很高的氧化还原电位(2.07V)，由于其强氧化能力，在水处理领域受到了广泛的关注。但也存在不足，臭氧与有机物反应通常会生成小分子醛类或羧酸，不进一步与臭氧反应，导致臭氧氧化有机物的矿化率低。与单独臭氧氧化反应相比，催化臭氧氧化技术作为一种高级氧化技术，主要机理是在催化剂的存在下催化臭氧分解产生反应速率更快、氧化性更强的羟基自由基(氧化还原电位为2.80V)，能够降解废水处理中的多种难降解产物，从而实现在低臭氧投加量情况下高效处理污水，是近年来污水深度处理领域的研究热点。臭氧催化氧化技术按所用催化剂的不同分为两类：一类是以金属离子为催化剂的均相臭氧催化氧化反应；另一类是使用固态催化剂的非均相臭氧催化氧化反应。

非均相催化臭氧化技术是一种新兴的高级氧化技术，与均相催化臭氧化技术相比，具有催化剂不容易流失、不引入二次污染、可重复利用等优点，具有更好的应用前景。非均相催化臭氧化反应中最广泛使用的催化剂主要有四种类型：(1)金属氧化物型催化剂；(2)负载型催化剂；(3)矿物型或改性矿物型催化剂；(4)活性炭型催化剂。其中使用最广泛的催化剂是一些典型的过渡金属氧化物和负载型贵金属氧化物，主要是通过催化剂的表面活性基团促进臭氧分解产生含氧活性物种或是形成络合物两种途径来降解污染物。这些金属氧化物通常存在金属离子的溶出导致活性组分流失、在pH为中性条件下效果不佳、pH适用范围小等缺点。制备出催化活性高且稳定，溶出量少的催化剂是目前需要不断努力的方向。

采用浸渍法制备的Cu_xO-Fe₂O₃，由于在制备过程高温下中铁的还原腐蚀与铜的氧化不断发生，反应颗粒尺寸不断变小，煅烧后属于磁性纳米材料。这种催化剂的合成方法以及该催化剂用于催化臭氧反应还未见报道。磁性纳米材料，一方面尺寸小、分散性好，有利于提高催化剂的活性；另一方面由于具有磁性可以利用外界磁场实现快速分离、回收、再利用。因此可以采用浸渍法制备铁铜复合催化剂用于催化臭氧氧化技术中。

发明内容

本发明的目的是为了解决非均相催化剂中纳米颗粒制备成本高、难以回收使用、pH 适用范围受限、易溶出流失等问题，旨在提供一种磁性纳米Cu_xO-Fe₂O₃臭氧催化剂的制备方法及其应用。

本发明的Cu_xO-Fe₂O₃催化剂不仅克服单独臭氧去除污染物时氧化速率慢和矿化率效率低，以及均相催化剂无法回收重复利用、引入二次污染等问题。还克服了目前金属氧化物催化剂催化效果不稳定、pH适用范围小、特别是纳米颗粒的难回收等问题。在制备过程没有添加昂贵的重金属，成本低，同时铁、铜属于常规过渡金属元素，毒性低。Cu_xO-Fe₂O₃催化剂为水体中污染物的去除提供一种高效、持续的方法。

本发明可以通过以下技术方案实现：

本发明提出的磁性纳米Cu_xO-Fe₂O₃臭氧催化剂的制备方法，具体步骤如下：

(1)将Cu(NO₃)₂溶于水中，搅拌使其溶解，配成浓度为0.1～0.2mol/L的Cu(NO₃)₂溶液，将分散剂配制成1mol/L溶液，得到分散剂溶液，备用；

(2)将5.6g～11.2g铁粉加入到步骤(1)所得的Cu(NO₃)₂溶液中，然后加入0.1‰～1‰体积的步骤(1)所得的分散剂溶液，在120℃下机械搅拌1～2h；控制铁、铜摩尔比为 0.5:1～2:1；

(3)机械搅拌后所得的混合物在100～120℃下干燥2～4h，得到固体；

(4)将干燥后的固体在450～550℃下煅烧1～2h，得到Cu_xO-Fe₂O₃磁性纳米材料。