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CN107497431A - 高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂及其制备方法 - Google Patents

高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂及其制备方法，制备方法包括：将碳布浸泡在铁盐溶液中，通过水热过程使得铁盐发生水解反应而产生FeOOH并沉积在碳布表面，制备出高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。本发明以碳布，铁源为原料，水为溶剂，直接利用硝酸铁高温下发生水解反应的原理生成FeOOH颗粒，整个反应中无需添加任何其它氧化物或反应物，且反应后溶液为含有铁氧化物颗粒的酸性溶液，对环境危害性小，且极易处理。因此整个制备过程是环境友好的化学合成过程。FeOOH具有很强的类芬顿催化活性，且经过研究发现其与载体结合后稳定性好，可重复利用率高，对污水中的难降解有机污染物具有很强的催化降解效果。

Description

高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于化学及水处理领域，涉及一种高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂及其制备方法。
背景技术
类芬顿催化剂是指可催化分解双氧水使其产生羟基自由基等具有强氧化性的活性自由基的一类化合物或金属离子(Fe2+除外)。类芬顿催化剂的研究是为了解决芬顿技术的缺陷，在保证具备较高催化活性的前提下，避免含铁污泥的产生并实现催化剂的回收利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂及其制备方法，以解决芬顿技术产生大量污泥及催化剂无法循环利用等缺陷问题。
本发明中可将FeOOH颗粒层均匀牢固的负载到碳布表面，且与单一的FeOOH颗粒不同，该方法制备的高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂因其具备大的比表面积，故可大大提高分解双氧水的速率，强化有机污染物的去除速率。本发明方法操作简单，所制备的高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂催化活性好，处理难降解有机废水的性能高，有很好的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂的制备方法，包括：将碳布浸泡在铁盐溶液中，通过水热过程使得铁盐发生水解反应而产生FeOOH并沉积在碳布表面，制备出高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。
进一步的，高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂的比表面积为860-1325m2·g-1；碳布的规格为：比表面积为～800m2·g-1的市售规格产品。
进一步的，具体包括以下步骤：
1)将碳布与铁盐溶液进行混合；两者混合放置于水热反应釜中并确保碳布被完全浸没在溶液中；
2)将水热反应釜在高温下进行保温；
3)保温结束且冷却至室温后，于反应液中取出碳布并进行洗涤，干燥后获得高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。
进一步的，铁盐溶液为FeCl3溶液、Fe(NO3)3溶液、Fe2(SO4)3溶液或其他含Fe3+的盐溶液。
进一步的，步骤1)中铁盐溶液的浓度为0.01-2.0mol·L-1。
进一步的，步骤2)中保温温度为80-260℃，保温时间为0.1-24h。
进一步的，步骤3)中洗涤至洗涤液澄清透明。
进一步的，高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂中，Fe元素的负载率为0.4～15％。
进一步的，每1.0g碳布浸泡在5-100mL铁盐溶液中。
所述的制备方法所制备的高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。
与现有类芬顿催化剂相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明以碳布，九水硝酸铁或其它三价铁源为原料，水为溶剂，直接利用硝酸铁高温下发生水解反应的原理生成FeOOH颗粒，整个反应中无需添加任何其它氧化物或反应物，且反应后溶液为含有铁氧化物颗粒的酸性溶液，对环境危害性小，且极易处理。因此整个制备过程是环境友好的化学合成过程。FeOOH具有很强的类芬顿催化活性，且经过研究发现其与载体结合后稳定性好，可重复利用率高，对污水中的难降解有机污染物具有很强的催化降解效果。
碳布是由碳纤维纺织而成的，具有很大的比表面积(～800m2·g-1)，很好的化学惰性以及物理强度，因此可作为类芬顿催化剂的载体而应用于水处理领域。其大的比表面积不仅能为负载的催化剂提供大量的附着点，从而大大提高负载量，还可为双氧水的分解反应提供很高的接触面积，利于反应的进行。
本发明所制得高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂具有良好的稳定性，经过10次反应催化活性可保持在90％以上，且Fe的溶出量仅为0.2mg/L，远低于常规Fe基非均相芬顿催化剂1.0-2.0mg/L的铁溶出量。
附图说明
图1为高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂的宏观示意图；
图2为图1所示高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂的微观形貌图(放大20000倍)。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂的制备方法以碳布、九水硝酸铁为原料，首先，利用硝酸铁在高温下发生水解反应而使体系中生成大量的Fe(OH)3沉淀，再利用Fe(OH)3脱水产生FeOOH颗粒使得碳布表面逐渐生成FeOOH沉积层。主要涉及的反应方程如下：
(1)Fe(NO3)3+3H2O→Fe(OH)3+3HNO3
(2)Fe(OH)3→FeOOH+H2O
由反应方程式可知，反应后除了生成FeOOH颗粒之外，副产物为硝酸。因此经过简单的洗涤即可将附着不牢的FeOOH颗粒和硝酸去除。
实施例1
在水热反应釜中加入浓度为0.04mol·L-1的FeCl3溶液50mL，放入1.0g碳布，密封之后置于200℃鼓风干燥箱中，保温3h后，取出放置室温下并进行冷却。之后取出碳布，使用去离子水进行洗涤至洗涤液澄清，沥干水分后在50℃烘箱中干燥获得高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。之后取0.1g的样品在105℃烘箱中烘烤过夜直至恒重，称其质量后使用微波消解仪进行消解，再采用ICP测定其中Fe含量，计算其比重为1.43％，这表明有部分FeOOH已负载到碳布表面。
实施例2
在水热反应釜中加入浓度为0.10mol·L-1的FeCl3溶液50mL，放入1.0g碳布，密封之后置于200℃鼓风干燥箱中，保温24h后，取出放置室温下并进行冷却。之后取出碳布，使用去离子水进行洗涤至洗涤液澄清，沥干水分后在50℃烘箱中干燥获得高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。之后取0.1g的样品在105℃烘箱中烘烤过夜直至恒重，称其质量后使用微波消解仪进行消解，再采用ICP测定其中Fe含量，计算其比重为1.53％，这表明有部分FeOOH已负载到碳布表面。
实施例3
在水热反应釜中加入浓度为0.01mol·L-1的Fe(NO3)3溶液5mL，放入1.0g碳布，密封之后置于260℃鼓风干燥箱中，保温0.1h后，取出放置室温下并进行冷却。之后取出碳布，使用去离子水进行洗涤至洗涤液澄清，沥干水分后在50℃烘箱中干燥获得高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。
实施例4
在水热反应釜中加入浓度为2.00mol·L-1的Fe2(SO4)3溶液100mL，放入1.0g碳布，密封之后置于80℃鼓风干燥箱中，保温6h后，取出放置室温下并进行冷却。之后取出碳布，使用去离子水进行洗涤至洗涤液澄清，沥干水分后在50℃烘箱中干燥获得高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。
模拟废水处理案例：
为验证本方法制备的高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂对难降解有机废水的处理效果，我们以实施例1制备的FeOOH/碳布为催化剂，以配置的酸性红G染料废水为处理对象，进行了类芬顿降解研究，其降解后染料溶液澄清透明，将其pH值调为中性后无任何沉淀产生，说明此法制备的催化剂不仅具有很好的催化活性，且很好的避免了含铁污泥的产生。发明实施例1所制得高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂具有良好的稳定性，经过10次反应催化活性可保持在90％以上，且Fe的溶出量仅为0.2mg/L，远低于常规Fe基非均相芬顿催化剂1.0-2.0mg/L的铁溶出量。

Claims (10)

1.高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂的制备方法，其特征在于，包括：将碳布浸泡在铁盐溶液中，通过水热过程使得铁盐发生水解反应而产生FeOOH并沉积在碳布表面，制备出高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂的比表面积达到860-1325m2·g-1；碳布的规格为：比表面积为～800m2·g-1的市售规格产品。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将碳布与铁盐溶液进行混合；两者混合放置于水热反应釜中并确保碳布被完全浸没在溶液中；
2)将水热反应釜在高温下进行反应；
3)保温结束且冷却至室温后，于反应液中取出碳布并进行洗涤，干燥后获得高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，铁盐溶液为FeCl3溶液、Fe(NO3)3溶液、Fe2(SO4)3溶液或其他含Fe3+的盐溶液。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中铁盐溶液的浓度为0.01-2.0mol·L-1。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中高温温度为80-260℃，反应时间为0.1-24h。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中洗涤至洗涤液澄清透明。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂中，Fe元素的负载率为0.4～15％。
9.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，每1.0g碳布浸泡在5-100mL铁盐溶液中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的制备方法所制备的高比表面积FeOOH/碳布非均相fenton催化剂。
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