用于类芬顿体系的铁碳微球复合催化剂及制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种用于类芬顿体系的铁碳微球复合催化剂及其制备方法与应用，该催化剂的制备方法为：(1)先将纤维素基原料进行活化处理；(2)将活化的原料进行溶解和离心，得到均质的纤维素溶液；(3)将均质的纤维素溶液负载FeCl3，所得溶液进行脱气处理，然后缓慢滴入蒸馏水中凝固成球形，得到负载Fe

【技术实现步骤摘要】
functionalized fique fiber[J].Journal of Environmental Chemical Engineering，2018，6(4):4178
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4188.)通过浸渍法将铁物种负载在以纤维素为基质的人造纤维表面制成非均相Fenton催化剂。在pH为2.5的条件下，采用该催化剂催化H2O2降解橙黄Ⅱ(OⅡ)，240min对OⅡ的最大降解率达95.61％，循环五次后仍可高效降解OⅡ，且催化剂中Fe
3+
的浸出量较小。但该仅在单一染料的情况下具备较高的降解率，对复合染料的降解率受其他染料存在的影响较大。
[0008]虽然采用非均相催化剂可实现良好的分离与重复利用，且催化非均相Fenton反应可产生多种活性自由基从而可以高效去除水体中的有机污染物。但对于类芬顿体系而言，虽然铁碳复合材料能够一定程度上促进芬顿反应的效率和Fe
3+
/Fe
2+
的循环转化速率，但却导致非均相催化剂和铁碳复合吸附剂的制备过程更加复杂，表面负载的铁离子容易溶出损失，导致催化剂的稳定性较差，这大大削弱了非均相芬顿反应的效率和可持续性。
[0009]另外，现有的铁碳复合材料在利用芬顿反应去除有机污染物时，往往只对单一的污染物体系具有高效的降解效果，而对于复杂体系的混合污染物的降解效率普遍较差，仍有待进一步提高。
[0010]因此，如何提高铁碳复合材料作为催化剂和吸附剂的稳定性，减少表面负载的铁离子的溶出，以及提高其对复杂污染体系中各类污染物的降解效率，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的就是为了解决上述技术问题，从而提供一种用于类芬顿体系的铁碳微球复合催化剂及其制备方法与应用，通过芬顿反应高效处理污水中的各种染料和抗生素类等难降解物。本专利技术的技术目的在于：一方面提供一种能够稳定负载铁的铁碳复合材料，解决现有的铁碳复合材料表面的铁离子容易溶出损失的问题；另一方面解决现有的铁碳芬顿反应催化剂存在的催化效率较低，对复杂污染体系的催化效果较差，难以同时对多种污染物进行高效降解的问题。
[0012]为了实现上述技术目的，本专利技术采用了如下的技术方案来解决相应的问题。
[0013]本专利技术首先提供了一种用于类芬顿体系的铁碳微球复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)将纤维素基原料浸泡在N,N
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二甲基乙酰胺溶液中，升温至130℃进行活化处理0.5h，得到活化后的纤维素基原料；
[0015](2)将活化后的纤维素基原料与含有氯化锂的N,N
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二甲基乙酰胺溶液(DMAC/LiCl)进行混合，所述N,N
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二甲基乙酰胺溶液中氯化锂的质量分数为8％；将混合物升温至100～140℃进行搅拌反应0.5～2h，加热搅拌结束后在室温下搅拌至溶解，将所得产物离心去除杂质，得到均质的纤维素溶液；
[0016](3)将步骤(2)所得均质的纤维素溶液与FeCl3按照质量比为100:0.5～3进行搅拌混合溶解3h，得到混合FeCl3的纤维素均质溶液；将所得溶液进行脱气处理，然后缓慢滴入蒸馏水中凝固成球形，得到负载Fe
3+
的纤维素球；
[0017](4)将步骤(3)获得的负载Fe
3+
的纤维素微球进行冷冻干燥处理，然后在氮气氛围下升温至700
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900℃热解2h，得到铁碳微球复合催化剂(直径约1.5mm～2mm)。
[0018]传统的铁碳复合材料，包括铁与生物炭之间，往往通过“表面浸渍”的方式进行结合，这不仅导致了铁碳复合材料在应用时铁离子容易浸出的问题，而且大大减小了铁
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碳材料的孔隙丰富度，大大限制了铁碳复合材料对污染物的降解效果，并限制了这种催化剂的催化效率和可持续使用性。
[0019]本专利技术针对上述现状，创造性地提出了一种“内包含”负载铁的铁碳复合材料的制备方法，得到了一种铁碳微球复合催化剂。该复合催化剂具有类似蜂窝状的多孔结构(如图1和图2)，同时铁离子能够高效负载在催化剂内部，并不会对催化剂的孔隙率造成影响，从而显著提高了铁碳复合材料的稳定性和对H2O2的高效催化性。这种对铁的负载方式(“内包含”)与传统的“表面浸渍”相比，一方面增加了铁离子的负载效率，另一方面使得负载后的铁离子不容易溶出损失，大大提高了铁碳催化剂在处理难降解污染物的催化效果，使得其在复杂污染体系下仍具备高效的催化效果。
[0020]经过实验证明，本专利技术提供的铁碳微球复合催化剂，显著提升了铁碳复合材料对各类难降解物的去除效率，对多种难降解物包括抗生素类和染料类等均具有高效的降解效率，同时对复杂污染体系下各类混合物质的降解效率均得到明显提高，能够很好用于水污染中各类难降解物的去除。
[0021]另一方面，本专利技术提供的上述制备方法，其活化条件极为宽泛，并不需要较为严苛的活化温度和时间，如本专利技术实施例所示，加热溶解温度在100℃还是140℃之间，由于本专利技术中的铁是采用“内包含”的方式负载在蜂窝状多孔结构内部，并未对催化剂的孔隙度造成影响，使得制备得到的铁碳催化剂对污染物的去除效率均能够接近100％，同时该材料无论是在真空、空气还是水环境中存放20天，其功能稳定，对氧氟沙星的降解能在40分钟内达到100％。而现有的铁碳催化剂的稳定性较差，催化效率变化大，特别是在存放过程中负载的低价Fe容易被氧化，导致催化效率会急剧下降。
[0022]进一步的是于，步骤(1)中所述纤维素基原料为废弃的棉纤维、秸秆、废弃纸张、木材等富含纤维素成分的原料。
[0023]进一步的是，是将纤维素基原料使用高速分样机进行破碎，然后进行活化处理，其中秸秆、木材等富含木质素的原料需提前进行预处理去除大部分的木质素。
[0024]进一步的是，步骤(2)中所述活化后的纤维素基原料与含有氯化锂的N,N
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二甲基乙酰胺溶液的质量比为2～4:100。
[0025]进一步的是，步骤(2)中所述在室温下搅拌至溶解为于室温下搅拌溶解10～20h。
[0026]进一步的是，步骤(2)中所述离心的条件为于9000r/min下离心处理6min。
[0027]本专利技术的目的之二是提供一种由如上所述的方法制备得到的铁碳微球复合催化剂，该铁碳微球复合催化剂为多孔蜂窝状结构，其直径约为1.5mm～2mm。该铁碳微球复合催化剂是一种“内包含”的铁离子负载方式，因而在使用过程中铁离子不容易溶出损失，同时该铁碳复合微球对污染物的降解效率和催化效率得到显著提升。
[0028]本专利技术的目的之三是提供一种如上所述的用于类芬顿体系的铁碳微球复合催化剂的应用，其是将该铁碳微球复合催化剂作为吸附剂或催化剂，采用芬顿反应来处理污水中难降解的污染物。
[0029]具体的，本专利技术所述难降解的污染物包括亚甲基蓝、氧氟沙星、四环素、罗丹明B、直接黄R、刚果红、双酚A、阿莫西林、环丙沙星、苯甲酸、苯酚中的一种或多种的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于类芬顿体系的铁碳微球复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将纤维素基原料浸泡在N,N
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二甲基乙酰胺溶液中，升温至130℃进行活化处理0.5h，得到活化后的纤维素基原料；(2)将活化后的纤维素基原料与含有氯化锂的N,N
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二甲基乙酰胺溶液进行混合，所述N,N
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二甲基乙酰胺溶液中氯化锂的质量分数为8％；将混合物升温至100～140℃进行搅拌反应0.5～2h，加热搅拌结束后在室温下搅拌至溶解，将所得产物离心去除杂质，得到均质的纤维素溶液；(3)将步骤(2)所得均质的纤维素溶液与FeCl3按照质量比为100:0.5～3进行搅拌混合溶解3h，得到混合FeCl3的纤维素均质溶液；将所得溶液进行脱气处理，然后缓慢滴入蒸馏水中凝固成球形，得到负载Fe
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的纤维素球；(4)将步骤(3)获得的负载Fe
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的纤维素球进行冷冻干燥处理，然后在氮气氛围下升温至700
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900℃热解2h，得到铁碳微球复合催化剂。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述纤维素基原料包括废弃的棉纤维、秸秆、废...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈飞，陈凯旋，李文洁，杜康婷，黄梅，赵丽，田东，何劲松，黄杵睿，
申请(专利权)人：四川农业大学，
类型：发明
国别省市：