[发明专利]高催化活性的铁酸铜复合材料及其应用

说明书

本发明公开了高催化活性的铁酸铜复合材料及其应用。本发明通过控制反应条件，使用化学共沉淀法制备得到了铁酸铜复合材料。本发明一些实例的铁酸铜复合材料：1）具有发达的孔隙空间以及较大的比表面积，能提供更多的催化活性位点，带来更好的Fenton氧化催化活性，在pH=2～8均有很好的降解效果，MB的脱色率能够达到99%以上，矿化率达到50%以上，反应后的废水pH值呈现向近中性（5pH8）靠拢的趋势，这大大降低了后续处理成本和工艺复杂性；2）具有很好的稳定性和可重复利用性，多次循环使用后CuFe₂O₄的催化活性并未出现明显的降低；3）回收处理时不需要使用高温煅烧等过程进行活化，大大降低了催化剂的重复使用成本。

技术领域

本发明涉及一种具有高Fenton氧化催化活性的铁酸铜复合材料及其应用。

背景技术

随着工业的发展与壮大，水环境污染问题对人类的健康构成了巨大的威胁，严重影响社会的可持续发展和经济的绿色增长。印染废水是由退浆废水、漂白废水、染色废水和印花废水等构成的水量大、pH值变化大、色度深、组分复杂的难降解有机废水。随着国家对水环境污染问题的重视，提出了一系列整改措施以整顿可能会造成环境污染问题的工业企业，并加大了环境保护在技术、人力和财力方面的投入。印染废水作为排放量大、难脱色降解且易对水环境造成严重污染的工业废水，采用何种合适的处理方法以去除其中的难降解有机污染物是环保工作者一直以来的重点研究方向。

印染废水的常规处理方法主要有物理法、化学法和生物法，如混凝、吸附和活性污泥法等，其在实际应用上要对经济的可行性以及工艺的可靠性进行考量，往往采用多工艺组合以取得良好的处理效果。以上常规处理方法的主要不足在于：一是处理工艺成本较高，如膜处理法等；二是处理效果不理想，如吸附法等；三是操作复杂，如好氧-厌氧法；四是处理周期长，如厌氧生物法。因此，经济、高效而且简单的印染废水处理方法的寻求就显得非常重要。

近年来，以羟基自由基(·OH)为代表的高级氧化技术在国内外受到了广泛的关注与研究。该技术能高效地将难降解有机污染物催化氧化为二氧化碳、水和无机盐等，从而实现污染物无毒害化的目的。其中Fenton氧化技术在反应过程中产生的·OH不仅氧化能力强，而且无选择性，因此广泛应用于处理各种可生化性差、难降解、危害性大的有机废水，如染料废水、垃圾渗滤液、医药废水等。虽然传统的均相芬顿反应催化效率高，但需要在强酸条件下(pH＝2～3)进行，且反应会生成大量的铁泥，后续处理环节较为繁琐。而异相类芬顿体系则在一定程度上有效改善了这种状况，其采用的非均相催化剂能有效拓宽芬顿反应pH响应范围，且易于回收，大大减少了铁泥的生成，以其独特的优势被广泛应用于难降解有机污染物的研究。因此，开发具有催化活性高、稳定性强的非均相催化剂成为了研究的重点和热点。

尖晶石型铁氧体材料为AB₂O₄结构，是从二十世纪40年代迅速发展起来的一种新型的非金属磁性材料。因其具有优异的化学和物理性质，所以在催化性能、吸附性能、和磁学性能等方面均已得到研究与应用。铁酸铜(CuFe₂O₄)是由铁和铜的复合氧化物组成的尖晶石型铁酸盐，具有优异的化学稳定性和催化特性。在异相类芬顿体系降解过程中，铁铜作为催化活性位点，具有协同效应，催化活性更高。铁酸铜常用制备方法主要有溶胶-凝胶法、水热合成法、化学共沉淀法等。

溶胶-凝胶法是指将无机物或者金属盐作前驱体在液相中混合均匀，利用水解、缩合反应以形成稳定的透明溶胶体系；溶胶经陈化后，胶粒间缓慢聚合形成三维空间网络结构的凝胶；凝胶经干燥、烧结、固化制得氧化物或其它化合物固体材料的方法。该方法制得的溶胶均匀性好，有利于均匀掺杂以开发各种新型材料，其优点是所得材料形貌均一、粒径小；但存在制备周期较长、原料成本较高以及样品易于相互凝结等缺点。