铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂及其制备方法和应用，该催化剂包括纳米零价铁颗粒，其表面包覆有铁的氧化物形成核壳结构，且铁的氧化物中掺有铈的氧化物。制备方法包括：将硼氢化钠溶液滴加到含有Fe

Iron / cerium bimetallic heterogeneous electro Fenton catalyst and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于水处理领域，涉及一种非均相电芬顿催化剂的制备及其应用，具体涉及一种铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
抗生素已被广泛用于治疗各种人类疾病和畜牧业。然而，由于严重滥用，使得它们在各种水环境中都有大量的残留，从而间接或直接对人类健康和生活环境造成不良影响。因此，实现对抗生素类废水的高效处理尤为重要。Fenton工艺作为高级氧化工艺(AOPs)之一，因其高效、简单、低成本等优点，在解决全球水体中有毒、难降解、不可生物降解的有机污染物污染方面受到了广泛关注。为了克服其固有的一些缺点，提高其通用性和环境友好性，电芬顿(EF)工艺成为最令人满意的技术。电芬顿反应是一种极具发展前景的高级氧化工艺，它可以使原位生成的过氧化氢(H2O2)与Fe2+发生Fenton反应产生强氧化性的羟基自由基(·OH,Eθ＝2.8V)。羟基自由基可以与有机污染物发生非选择性反应，直到它们被完全矿化为二氧化碳、水和无机离子。在阴极产生H2O2可以避免其运输、储存和搬运的潜在风险。与传统Fenton工艺相比，Fe3+在阴极处的连续电化学还原为Fe2+的再生提供了新的途径，进一步提高了污染物的降解率。因此，利用电芬顿技术有效处理有机污染物废水的关键是获得一种催化能力强的电芬顿催化剂。目前，已有研究表明Fe/Ce双金属颗粒可作为非均相类Fenton体系催化剂，然而，现有基于Fe/Ce双金属颗粒的非均相电芬顿催化剂的使用过程中仍然需要额外添加添加剂(如诱导剂、氧化剂)才能实现对有机污染物的有效去除，而添加剂的使用也必然会增加处理成本，也会导致处理过程更加复杂，也会增加操作难度，这不利于实现对水中有机污染物的低成本、高效去除。另外，现有基于Fe/Ce双金属颗粒的非均相电芬顿催化剂的制备方法仍然存在制备过程繁琐、制备耗时长、对设备要求高、制备成本高等优点，这也不利于实现电芬顿技术在处理有机污染物废水中的广泛应用。因此，急需获得一种催化活性好、稳定性好、环境友好的非均相电芬顿催化剂以及与之配套的耗时短、操作简单、对设备要求低、经济环保的制备方法，这对于利用电芬顿技术有效去除水体中的抗生素具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种催化活性好、稳定性好、环境友好的铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂及其制备方法和应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂，所述铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂包括纳米零价铁颗粒，所述纳米零价铁颗粒表面包覆有铁的氧化物形成核壳结构；所述铁的氧化物中掺有铈的氧化物。上述的铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂，进一步改进的，所述铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂中纳米零价铁颗粒、铁的氧化物和铈的氧化物的质量比为1∶2.86∶1.54。上述的铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂，进一步改进的，所述铁的氧化物包括三价铁的氧化物和二价铁的氧化物；所述铈的氧化物包括三价铈的氧化物和四价铈的氧化物。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种上述的铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1、将硼氢化钠溶液滴加到含有Fe3+和Ce3+的混合溶液中，搅拌；S2、将步骤S1中经搅拌后的混合溶液老化，洗涤，干燥，得到铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂。上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述含有Fe3+和Ce3+的混合溶液中Fe3+与Ce3+的摩尔比为2∶1。上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述硼氢化钠溶液的滴加速率为0.02mL/秒～0.5mL/秒；所述硼氢化钠溶液的浓度为0.4M；所述搅拌的转速为250rpm；所述搅拌的时间为10min～15min。上述的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述老化的时间为2h；所述洗涤为采用超纯水或乙醇对老化后得到的产物进行清洗；所述干燥在真空条件下进行；所述干燥的温度为60℃。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种上述的铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂在处理抗生素废水中的应用。上述的应用，进一步改进的，包括以下步骤：将铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂与抗生素废水混合进行电芬顿催化反应，完成对抗生素废水的处理；所述铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂的添加量为每升抗生素废水中添加铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂0.04g～0.12g。上述的应用，进一步改进的，所述电芬顿催化反应过程中还包括往抗生素废水中加入电解质；所述电解质的加入量为每升抗生素废水中添加电解质0.05mol；所述电解质为硫酸钠。上述的应用，进一步改进的，所述电芬顿催化反应过程中还包括对抗生素废水进行曝气处理；所述曝气处理为往体系中通入含氧气体；所述曝气处理过程中的曝气速率为0.1L/min。上述的应用，进一步改进的，所述抗生素废水中的抗生素为四环素、甲硝唑和氯霉素中的至少一种；所述抗生素废水中抗生素的初始浓度为50mg/L；所述抗生素废水的pH值为3～9；所述电芬顿催化反应的反应体系中以活性炭纤维为阴极，以Pt片为阳极；所述电芬顿催化反应过程中控制外加电流为15mA～80mA；所述电芬顿催化反应在搅拌条件下进行；所述搅拌的转速为500rpm；所述电芬顿催化反应的温度为常温；所述电芬顿催化反应的时间为60min。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供了一种铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂，以纳米零价铁颗粒为内核，其表面包覆有铁的氧化物形成核壳结构，且铁的氧化物中掺有铈的氧化物，是一种由铁的氧化物和铈的氧化物包覆纳米零价铁颗粒的新型复合材料。本专利技术中，纳米零价铁颗粒和铁的氧化物可以诱导单电子分子氧活化生成超氧自由基、诱导双电子分子氧活化通过电子从铁核分别向亚铁离子和氧化铁壳表面外转移生成H2O2，因而在使用过程中无需额外添加添加剂(如氧化剂过氧化氢)，与此同时，铈的氧化物由于Ce(III)/Ce(IV)氧化还原循环，其表面含有大量的氧空位，可以加速强氧化性羟基自由基的生成，三价铈与二价铁类似可以活化过氧化氢产生羟基自由基，因而将铁的氧化物和铈的氧化物包覆在纳米零价铁颗粒表面，能够显著提高铈(Ce3+/Ce4+)和铁(Fe2+/Fe3+)的氧化还原循环的协同作用，从而提高复合材料的催化活性。与其他现有Fe/Ce双金属颗粒非均相芬顿催化剂的相比，本专利技术铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂中，以纳米零价铁颗粒为内核，其可以诱导分子氧活化生成二价铁和过氧化氢，能够在不额外添加添加剂的前提下进一步提高催化活性，同时，本专利技术催化剂的核壳结构更适合于实际应用，可以防止材料在空气中自燃，有利于运输和储存。本专利技术铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂具有催化活性好、稳定性好、环境友好等优点，是一种性能优异的新型非均相电芬顿催化剂，能够用于处理抗生素废水，并能够实现对废水中抗生素的有效去除，使用价值高，应用前景好。(2)本专利技术铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂中，通过优化纳米零价铁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂，其特征在于，所述铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂包括纳米零价铁颗粒，所述纳米零价铁颗粒表面包覆有铁的氧化物形成核壳结构；所述铁的氧化物中掺有铈的氧化物。/n

【技术特征摘要】
1.一种铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂，其特征在于，所述铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂包括纳米零价铁颗粒，所述纳米零价铁颗粒表面包覆有铁的氧化物形成核壳结构；所述铁的氧化物中掺有铈的氧化物。


2.根据权利要求1所述的铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂，其特征在于，所述铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂中纳米零价铁颗粒、铁的氧化物和铈的氧化物的质量比为1∶2.86∶1.54。


3.根据权利要求1或2所述的铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂，其特征在于，所述铁的氧化物包括三价铁的氧化物和二价铁的氧化物；所述铈的氧化物包括三价铈的氧化物和四价铈的氧化物。


4.一种如权利要求1～3中任一项所述的铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将硼氢化钠溶液滴加到含有Fe3+和Ce3+的混合溶液中，搅拌；
S2、将步骤S1中经搅拌后的混合溶液老化，洗涤，干燥，得到铁/铈双金属非均相电芬顿催化剂。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述含有Fe3+和Ce3+的混合溶液中Fe3+与Ce3+的摩尔比为2∶1。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述硼氢化钠溶液的滴加速率为0.02mL/秒～0.5mL/秒；所述硼氢化钠溶液的浓度为0.4M；所述搅拌的转速为250rpm；所述搅拌的时间为10min～15min。


7.根据权利要求4～6中任一项所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐旺旺，张景景，江欢，董艺，左钰琪，李晓婷，鲁泽人，靳婉婉，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43