[发明专利]一种生物质炭基铁系催化剂的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种非均相催化剂的制备方法及应用，尤其涉及一种生物质炭基铁系催化剂的制备方法及应用。

背景技术

针对化学镀镍废液中存在的高浓度络合态镍，传统氧化剂如过氧化氢、高锰酸钾、次氯酸钠、臭氧等的直接添加及化学沉淀法的运用无法实现其高效去除，迫切需要提出或建立新型的绿色、高效、经济的治理原理和技术。

催化湿式过氧化氢氧化技术(Catalytic wet peroxide oxidation，CWPO) 是以传统催化湿式氧化和Fenton氧化技术为基础，通过催化剂诱导氧化反应的新型高级氧化技术，其普遍适用于含酚废水、染料废水、垃圾渗滤液、农药类废水、制药废水等高浓度环境污染物的降解与矿化。鉴于该技术可以提供或构造一类特殊的高效氧化反应环境，强化羟基自由基对目标污染物的高效降解，故有望从根本上解决化学镀镍废液传统处理方法破络效果差、氧化效率低、污泥产量高等难题。

在CWPO技术中，催化剂的选择是实施高效降解的关键。早期研究主要采用可溶性过渡金属盐类物质作为均相催化剂，以实现分子或离子层面的氧化催化，虽然该类催化剂反应活性高、选择性强，但反应pH值条件苛刻，且后续阶段需要额外的分离及污泥处理环节，易存在二次污染问题。为此，现阶段的研究重点主要集中于非均相如贵金属、过渡金属、稀土系列催化剂的研发上。

就过渡金属系催化剂而言，传统制备方法是将催化剂载体材料与活性组分进行二次组装，通过浸渍-焙烧的方式进行负载，尽管操作简单，有利于催化剂的大规模生产，但只能实现活性组分在催化剂载体的表面沉积或选择性孔径沉积，无法保证活性组分与载体的高度结合；同时，受溶液酸碱条件、氧化反应过程、活性组分晶体结构、催化剂表面积碳行为等因素影响，该类催化剂在长期使用过程中始终存在活性组分流失、催化性能失活、稳定性丧失等问题。

木质素是自然界中在数量上仅次于纤维素的第二大天然高分子聚合物。作为工业纸浆制造和生物炼制乙醇的副产品，其实际利用率仅不到10 %，寻找新的资源化利用途径已经成为木质素工业发展的焦点。在固体催化剂应用领域，以木质素及其衍生物为基础原料，经改性如有机/无机溶剂浸渍、璜化、碳化或高温氧化处理后制备的催化剂，已在生物柴油生产、化工试剂合成领域表现出高效的催化性能及对不同类型反应的普适性，但涉及其催化湿式氧化处理高浓度化学镀废液的研究鲜有报道。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种生物质炭基铁系催化剂的制备方法及应用，得到的生物质炭基铁系催化剂不但可以有效抑制氧化降解过程中铁系活性组分的溶出，而且可以高效催化湿式过氧化氢氧化降解高浓度化学镀镍废液，具有稳定性强、重复利用性高的特点。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种生物质炭基铁系催化剂的制备方法，其包括以下步骤：

步骤S1：制备胶原蛋白水溶液；

步骤S2：在所述胶原蛋白水溶液中加入木质素，并加入无机铁盐溶液，共混均质后陈化20~60 min；然后真空烘干至恒重，进行研磨得到研磨产物；

步骤S3：将所述研磨产物在惰性气体保护条件下，以1-10 ℃/min的加热速率升温至400-1000 ℃，保温1-4 h后自然冷却至室温，再进行研磨，得到生物质炭基铁系催化剂样品；所述惰性气体优选为氮气。

作为本发明的进一步改进，其还包括步骤S4：将所述样品在碱性溶液中洗涤，然后用去离子水洗涤至中性，加热烘干后即获得功能化的生物质炭基铁系催化剂。

研究发现，在木质素体系中引入芳香性碳源物质有利于在热解阶段构筑高强度多环结构，赋予体系较强的粘结性能，提高其碳化产物的机械强度。此技术方案采用原料共混、固定成型、高温裂解方法制备的生物质炭基铁系催化剂具有较高的比表面积和良好的孔隙结构，其活性组分以覆盖、内嵌、包埋等多种形式分布在催化剂表面和内部，与催化剂载体高度结合。该技术不仅有望解决传统催化剂在长期使用过程中活性组分流失、催化性能失活、稳定性丧失等问题；而且可以实现湿式过氧化氢氧化工艺对高浓度化学镀镍废液的高效降解；同时也有利于拓展木质素、胶原蛋白生物质固体废弃物在工业水处理领域的高值化利用。

作为本发明的进一步改进，所述铁系活性组分在载体上的掺量为5-40 wt%，所述载体的质量为胶原蛋白的质量与木质素的质量之和。其中，所述铁系活性组分在载体上的掺量为铁元素的质量与胶原蛋白与木质素质量之和的比值。即所述载体的质量与无机铁盐中含有的铁的质量之比为1：（0.050~0.4）。