[发明专利]生物炭负载铁锰双金属氧化物光芬顿复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种生物炭负载铁锰双金属氧化物光芬顿复合材料及其制备方法，该生物炭负载铁锰双金属氧化物光芬顿复合材料以生物炭为载体，生物炭表面负载有MnFe₂O₄。其制备方法为将生物炭、含Fe³⁺物质、含Mn²⁺物质与水混合，搅拌，加入氨水溶液进行反应，过滤，清洗，干燥，得到光芬顿复合材料。本发明光芬顿复合材料具有稳定性高、催化效率高、回收利用性好、成本低廉、环境友好等优点，是一种催化性能优异的新型光芬顿材料，能够广泛用于催化去除环境中的有机污染物(如抗生素)，其制备方法具有工艺简单、原材料易得、成本低廉等优点，且对环境友好、不产生有毒有害副产物，适合于大规模制备，符合实际生产的需求。

技术领域

本发明属于污染环境中的高级氧化处理领域，涉及一种生物炭负载铁锰双金属氧化物光芬顿复合材料及其制备方法。

背景技术

随着社会不断的发展，在加快工业化和城镇化的过程中，社会生态环境问题日益突出，尤其是水环境问题给我们社会带来了严重的危害，因此，如何去除水体中污染物成为了社会共同关注的话题。近年来，高级氧化技术受到人们越来越多地关注。芬顿技术作为一种著名的高级氧化技术，其高效的降解效率、简洁的操作程序获得了科研工作者普遍的青睐。传统的芬顿反应是通过溶液中的亚铁离子催化过氧化氢产生羟基自由基和超氧自由基，产生的活性自由基通过和污染物接触将其氧化降解。但是，传统的均相芬顿技术存在一些严重的问题，首先，均相芬顿反应要求在酸性条件下才能进行，增加了酸化成本；其次，均相芬顿反应过程中铁离子无法回收，催化过程不能重复进行，增加了操作成本；最后，体系中残留的大量铁离子不符合排放标准，造成二次污染，如果中和处理，也会提高成本，产生的大量铁污泥也需处理。因此，多项芬顿体系和光芬顿体系便发展起来。多项芬顿体系中，最常见的一类材料便是天然含铁矿物，比如赤铁矿、针铁矿、褐铁矿和磁铁矿等铁氧化物，这些展现出一定的芬顿催化功能，相比于均相芬顿体系，多项芬顿体系中允许催化剂在接近中性的条件下进行催化反应来实现对污染物的降解，也有利于材料回收利用，且催化完成后，在体系中不会残存高浓度的铁离子；但是，多项芬顿体系的催化性能比均相芬顿体系差，对过氧化氢的利用率低，很难达到实际应用水平。芬顿催化的关键一步，就是三价铁离子转换成二价铁离子的速率，该过程与含铁材料的形态结构有很大关系，例如不同种类的含铁氧化物由于铁离子的价态差异、晶体结构差异等会影响三价铁离子转换成二价铁离子的速率，多项芬顿体系和均相芬顿体系中三价铁离子由于形态不一样，转换成二价铁离子的速率也有很大的差别。

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+HO^-+·OH K₁＝70M^-1s^-1 (1)

Fe³⁺+H₂O₂→Fe²⁺+H⁺+HO₂·K₂＝0.001–0.1M^-1s^-1 (2)

在此基础上，引入外界能量的光芬顿和电芬顿的出发点也是为了促进三价铁离子转换成二价铁离子的速率，通过提高三价铁离子和二价铁离子的循环速度，加快整个催化过程。其中，光芬顿技术的关键步骤，就是在光照条件下，三价铁增加一条转换途径，提高过氧化氢利用效率，此过程有效的促进了芬顿催化技术的进一步发展；而且过氧化氢在光照条件下也会部分分解为活性自由基，有效降解污染物。

Fe³⁺+H₂O+hυ→Fe²⁺+·OH+H⁺ (3)

H₂O₂+hυ→2·OH (4)