[发明专利]一种光催化和臭氧催化双功能水处理催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种光催化和臭氧催化双功能水处理催化剂，其制备方法为用铝聚合物稳定TiO₂粒子后，再用Mn进行晶格掺杂改变TiO₂禁带宽度使其吸收波长拓展到可见光区，最后用Fe经过离子掺杂和胶体氧化物负载，最终煅烧形成同时具备光催化剂和臭氧催化功能的水处理催化剂。

技术领域

本发明涉及到医药、造纸、印染等难降解领域水处理催化新材料，尤其涉及了一种光催化和臭氧催化双功能水处理催化剂及其制备方法。

背景技术

重点行业水环境保护和综合治理是未来废水处理工作的重要切入点。“十四五”时期，我国进入新发展阶段，深化长江经济带“生态优先、绿色发展”、长三角生态绿色一体化发展，对水生态环境高水平保护提出新要求。其中，强化工业废水治理和特色行业整治提升，尤其是印染、造纸、医药、化工等典型重点行业废水长效监管机制的建立和完善，是深化水环境综合治理的重中之重。这些典型行业污水中，存在一些相对分子量从几千到几万的化学物质，其含量高、毒性大，利用现有的生物处理方法，存在可生化性差、易中毒、处理不彻底等难题。有机物的充分降解是水污染控制领域研究者共同关注的热点和难点问题，开发出高效的深度氧化处理新技术具有重要的科学价值和社会意义。

开发以羟基自由基(·OH)为氧化剂的高级氧化技术，是近年来研究的热点和重点。羟基自由基(·OH)具有强氧化能力，氧化电位达2.8eV，仅次于最强的氟(3.06eV)，是臭氧的1.35倍，由于氟有污染，因此羟基自由基为氧化剂的高级氧化技术成为首选。常见的能产生羟基自由基(·OH)的，有臭氧催化氧化、(电)芬顿氧化、电解、光催化、光电催化等。

相对而言，臭氧催化氧化和光催化因其不涉及到双氧水和消耗电能，相对清洁而受到重视。光催化和臭氧催化可以联合协同发挥更大降解效率。在同时光照和臭氧存在下，臭氧捕获了光催化过程中产生的光致电子被活化，生成了更多的·OH自由基，对有机物的降解效率高于单一光催化和单一臭氧的降解效率。

臭氧催化氧化目前研究较多的是铁基、锰基、铜基臭氧催化剂，而光催化剂研究较多的、可实现工业化的是TiO₂及其掺杂型催化剂。要将光催化和臭氧催化结合，需要解决下面问题：

(1)TiO₂粒子的稳定。由于TiO₂基催化剂在交换、热处理过程中粒子容易团聚沉降进而影响催化效果，因此如何稳定TiO₂是制备不团聚双功能水处理催化剂首先考虑的问题。

(2)TiO₂的光吸收范围拓展。TiO₂只在紫外吸收，光利用率较低，用金属和非金属晶格掺杂将其吸收拓展到可见光区域。

(3)Fe与TiO₂直接复合的不确定性。一般而言，将臭氧常用的铁氧化物直接掺杂在TiO₂粉体上，光催化依赖晶格中的铁钛氧化物、臭氧催化依赖表面的铁氧化物，TiO₂晶格铁离子和表面铁氧化物分布调节不当的话，即对光催化和臭氧催化联合作用不利。因此，需要在负载铁之前，先负载一种金属元素，使TiO₂具备较宽范围可见光吸收的同时，可以阻隔后续铁负载时大量铁离子进入晶格中而削弱表面铁氧化物的臭氧催化能力。

有鉴于此，本发明首先利用铝聚合物稳定TiO₂粒子，稳定后的TiO₂基催化剂粒径不超过1μm，以减少催化剂制备过程中TiO₂粒子的团聚，其次用Mn掺杂，一方面Mn进入晶格将TiO₂的吸收拓展到可见光区，另一方面阻止后续大量铁进入晶格，最后将Fe组分主要以胶体的形式在TiO₂表面分散，构建了基于TiO₂可见光催化体系和Fe基臭氧催化体系协同作用的双功能水处理催化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种光催化和臭氧催化双功能水处理催化剂及其制备方法，包括如下步骤：