[发明专利]一种十二面体单原子铁类Fenton催化剂及其制备与应用

说明书

本发明公开了一种十二面体单原子铁类Fenton催化剂的制备方法及其应用。本发明是将乙酰丙酮铁、六水合硝酸锌、二甲基咪唑溶于甲醇，超声溶解并搅拌均匀，将得到的反应混合物转入反应釜中，通过溶剂热反应制备出由MOFs负载的铁基材料前驱体，然后在氩氛围下高温煅烧得到具有大比表面积的十二面体单原子铁催化剂，并将其应用于异相芬顿反应中，实现对磺胺类抗生素的高效降解。该催化剂具有好的循环使用性能、宽的pH适用范围(3～8)，以及制备方法简单等特点，具有较高的应用价值，可用于抗生素废水的处理。

技术领域

发明涉及一种纳米尺度的单原子铁催化剂及其制备方法和应用，该催化剂能通过活化过氧化氢实现对废水中磺胺类抗生素的高效去除，属于环境保护及处理的技术领域。

背景技术

水生环境中的抗生素残留物引起广泛关注，因为它们可能引起抗生素抗性细菌(ARB)和抗生素抗性基因(ARG)，由于它们对水生生态系统和人类健康的危害，它们被认为是新型的水污染物。磺胺类由于价格低廉且性能稳定而属于世界范围内广泛使用的一类抗生素，而对磺胺类抗生素污染物的处理是现有水处理技术的一大挑战，去除效率低。与其他磺胺类抗生素相比，磺胺嘧啶在污水厂污染物中具有很高的检出频率(近100％)和高浓度(高达216ng/L)。除了相关细菌耐药性的传播外，磺胺嘧啶的广泛使用还可能带来相关的毒性风险。根据全球化学品统一分类和标签制度发布的标准，磺胺嘧啶被归类为剧毒有机污染物。因此，必须解决抗生素排入环境之前的污染问题，以控制ARB和ARG的传播途径。

目前用于处理污水中抗生素等有机污染物的方法较多，主要包括物理吸附、生化法、高级氧化法等。然而物理方法仅使抗生素污染物发生相的变化而无法使其分解变得无害；生化法需要很长时间，常用于处理低浓度的污染物且难以实现抗生素的降解。高级氧化技术通过产生氧化性极强的活性自由基，能够将机化合物大分子降解成为低毒或无毒的小分子物质，直至最终降解成为二氧化碳和水等无机物质。因此，目前高级氧化法被认为是去除水中有机物的最有效方法之一。铁基材料成本低廉，无毒，催化活性好，对于废水中的抗生素的去除具有明显的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米尺度的十二面体单原子铁类Fenton催化剂及其制备方法，并将其应用于降解水中磺胺类抗生素。

本发明所提供的纳米尺度的十二面体单原子铁类Fenton催化剂，平均比表面积为600～800m²/g，平均孔径为2～3nm，十二面体结构的尺寸为300～600nm，是微孔介孔混合存在的结构。

本发明所要提供的纳米尺度的十二面体单原子铁类Fenton催化剂的制备方法，采用以下步骤：

(1)铁盐、锌盐、二甲基咪唑溶于甲醇中，超声，搅拌，得到棕红色溶液。

(2)将得到棕红色溶液转移到反应釜中，溶剂热反应3～5h，反应温度为100～150℃。

(3)冷却至室温后，将得到的棕红色沉淀收集起来，然后用N,N二甲基甲酰胺和甲醇清洗，真空干燥，得到由MOFs(金属有机骨架)负载的铁基材料前驱体。

(4)将得到的前驱体研磨成粉末之后放入管式炉中，在氩气氛围中，900-950℃高温煅烧2-4h，冷却即可得到纳米尺度的十二面体单原子铁类Fenton催化剂。

本发明上述所述的制备方法中，优选的，步骤(1)所述的铁盐为乙酰丙酮铁，锌盐为六水合硝酸锌。

本发明上述的制备方法中，优选的，步骤(1)的搅拌转速为500～900r/min，搅拌时间为0.5～2h；超声10～30min。

本发明上述所述的制备方法中，优选的，步骤(1)中铁盐、锌盐、二甲基咪唑的摩尔比为1:5-15:20-60，更优选为1:8-12:30-50，最优选为1:10:40。

本发明上述所述的制备方法中，优选的，超声，搅拌，离心均在室温下进行。