[发明专利]一种光芬顿氧化催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种光芬顿氧化催化剂及其制备方法和应用。本发明以城市污泥炭为载体，用HCl、H₂SO₄、HNO₃、H₃PO₄等酸进行表面化学改性，辅以超声或微波物理改性，制备出高效的光芬顿氧化催化剂。催化剂制备方法简便、成本低廉、技术成熟，在光芬顿条件下对环丙沙星有较高的去除率，这有利于非均相光芬顿在处理抗生素废水工业化应用中进行推广。

技术领域

本发明属于水处理技术和环境功能材料领域，涉及以城市污泥炭为基础，加以表面酸改性以表面过渡金属为活性组分的催化剂及其制备方法，用于催化光Fenton处理有机废水。

背景技术

随着城市的发展，城市污水的与日俱增，对城市污水的处理日渐紧迫，其中，污水中最难处理的便是抗生素。氟喹诺酮类抗生素是污水中所占比重较大的抗生素，环丙沙星和氧氟沙星是两种重要的氟喹诺酮类抗生素。抗生素具有极强的抗菌能力，难以分解。我国是抗生素生产大国，在临床医学、畜牧业和护肤品制造上广泛使用抗生素。环丙沙星和诺氟沙星作为氟喹诺酮药物，抗菌效果好、毒副作用低，我国市场对于这两种药物的需求量很大。随着抗生素的滥用，城市污水中含有大量抗生素。城市污水处理厂的主要目的是去除污水中的悬浮物、COD、氮和磷等物质，一般不具备高效去除抗生素的能力。所以，发展一种安全、高效的抗生素处理技术是十分重要和迫切的。

芬顿氧化技术是高级氧化技术的一种，芬顿法因为自身操作简单，反应高效而得到研究者的青睐。传统芬顿法的反应原理在酸性条件下通过Fe²⁺催化过氧化氢分解为具有强氧化性的羟基自由基，然后羟基自由基借助自身高氧化还原电位降解废水中有机物，将有机物分解为对环境没有影响的CO₂和H₂O。经过深入研究发现限制传统芬顿反应速度关键因素是Fe价态的转换速率，随后引入光这一因素可以大大提高Fe价态转换的速率，也就提高了降解速度。传统光芬顿反应大都在均相下反应，均相反应虽然催化效率高但是对反应的环境条件非常苛刻，反应pH需要在3～4才有较好的效果，另一方面催化反应结束需要将铁组分在废液中析出，在额外消耗大量酸碱的同时也会造成产生二次污染。因此研究者开始转向非均相光芬顿技术的研究，非均相反应体系主要研究以下两个方面(1)寻找合适催化剂，使得铁组分能在载体上完成价态的快速转换，并实现固液分离的反应(2)寻找合适的制备条件，最大程度地优化催化剂上活性组分，以提高反应效率。非均相光Fenton的提出可以说可以大大提高原有反应效率，它不仅可以提高降解有机废水的能力，同时减轻了铁泥产生所造成的二次污染，也拓宽了反应的环境条件，是处理抗生素废水的极有发展前景的技术之一。

近年来研究表面我国水处理厂每年产生含水率80％左右的污泥3000余万吨，预计2020年将达到6000万吨。面对如此大体积的污泥量，我国处理能力又是严重低下，污泥中大量的细菌病毒等，如果不经过规范处理就会引起二次污染，因此急需开发污泥资源化新方法。近年来研究表面，污泥中含有大量的有机物，经过高温炭化可以生成污泥炭，污泥中也有金属元素可以作为光芬顿反应中的活性组分，将污泥炭进行表面优化改性暴露出活性组分可以提高非均相光Fenton反应速率，同时也是污泥资源化的合理方法。

申请人前期申请的201810307992.0专利提供了一种污泥炭催化剂，应用于电化学处理难降解有机废水，其制备方法是将污泥炭用酸、碱或过氧化氢在40℃浸泡改性，之后将得到浸泡后的污泥炭水冲洗直至出水pH值6～8烘干即得到表面改性的污泥炭粉末，其可直接作为污泥炭电化学催化剂。但是该催化剂在电化学处理难降解有机废水时处理效果并不理想,不如在酸改性基础上再用金属改性的催化剂对苯乙酮的降解效率高。并且，该专利中的催化剂是用于电化学处理废水，而非在过氧化氢与紫外光存在的条件下，用于光Fenton催化氧化处理工业有机废水，基于催化剂的专一性，无法预料201810307992.0中的催化剂进行何种改造后能够在光Fenton催化氧化处理工业有机废水中发挥理想的催化效果。

发明内容