一种多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂及其制备方法和应用技术

一种多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂及其制备方法和应用，它涉及水处理材料领域，具体涉及一种催化剂及其制备方法和应用。本发明专利技术的目的是要解决现有CuFe2O4催化剂颗粒或ZnFe2O4催化剂颗粒易团聚、比表面积小、活性位点数量少及导电性差的问题。催化剂化学式为Cu

【技术实现步骤摘要】
一种多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及水处理材料领域，具体涉及一种催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]抗生素作为治疗感染性疾病的药物，使用广泛且用量较大。但抗生素进入人体或动物体后，不能被完全代谢，排出体外后在水环境中富集，造成水体污染，危害人体健康甚至破坏生态平衡。传统城市污水处理厂多采用活性污泥工艺去除有机污染物，但是对抗生素的去除效果不佳，亟需开发有效方法降解废水中残留的抗生素。
[0003]非均相催化臭氧化技术利用固体催化剂促进臭氧分解产生羟基自由基，可彻底矿化有机污染物，适合抗生素废水的深度处理。常见的非均相催化剂有金属氧化物、碳基材料、负载金属或金属氧化物的复合材料及矿物材料等。其中，金属氧化物(如Al2O3、Fe2O3、MnO2等)的储量丰富、价廉易得，但是催化活性较低，金属离子易浸出，粉末状催化剂固液分离困难；碳基材料(如活性炭、碳纳米管、石墨烯等)克服了金属离子的溶出问题，但是被臭氧氧化后易失活；负载金属或金属氧化物的复合材料稳定性强、比表面积大，但制备过程复杂、成本高；矿物材料(如沸石、针铁矿、蒙脱石等)具有高热稳定性和机械性能，可降低金属离子溶出，但催化效率较低，回收困难。CuFe2O4和ZnFe2O4作为尖晶石型金属氧化物，其尺寸可至纳米级尺度，有利于降低反应物至催化剂表面的传质阻力，具有磁性，易于回收，制备成本低。但CuFe2O4催化剂颗粒或ZnFe2O4催化剂颗粒颗粒易团聚、比表面积小、活性位点数量少、导电性差，这阻碍了催化剂与有机物的接触几率和电子转移进程，影响了催化效率。目前，多采用贵金属掺杂或多孔材料负载等方法来提高催化剂的分散性、活性位点数量和电子转移能力，但贵金属的成本较高，复合材料的制备过程复杂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是要解决现有CuFe2O4催化剂颗粒或ZnFe2O4催化剂颗粒易团聚、比表面积小、活性位点数量少及导电性差的问题，而提供一种多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂及其制备方法和应用。
[0005]一种多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂，其化学式为Cu
x
‑
Cu
(0.5
‑
x)
Zn
0.5
Fe2O
(4
‑
x)
，x＝0.3～0.35；呈多孔球形，粒径集中在120nm～180nm。
[0006]一种多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
[0007]一、制备溶液A：将硝酸铜、硫酸锌和硝酸铁溶于乙二醇中，在温度为20～40℃下搅拌至硝酸铜、硫酸锌和硝酸铁完全溶解，然后加入乙酸钠粉末，再搅拌均匀，得到溶液A；所述硝酸铜、硫酸锌与硝酸铁的摩尔比为0.5:0.5:2；
[0008]二、制备溶液B：将十六烷基三甲基溴化铵溶于异丙醇中，搅拌至完全溶解，得到溶液B；
[0009]三、制备前驱体：将溶液B加入溶液A中，在温度为20～40℃下搅拌均匀，得到催化剂前驱体；
[0010]四、水热反应：将催化剂前驱体置于内衬聚四氟乙烯的反应釜中进行水热反应，得到水热反应产物；
[0011]五、洗涤、干燥：将水热反应产物取出后经洗涤、干燥，得到多孔磁性导电自掺杂Cu
x
‑
Cu
(0.5
‑
x)
Zn
0.5
Fe2O
(4
‑
x)
催化剂。
[0012]上述一种多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂的应用，多孔磁性导电自掺杂Cu
x
‑
Cu
(0.5
‑
x)
Zn
0.5
Fe2O
(4
‑
x)
催化剂作为催化剂，与臭氧联合使用处理抗生素废水。
[0013]本专利技术原理及优点：
[0014]一、采用溶剂热法制备了自掺杂Cu的Cu
x
‑
Cu
(0.5
‑
x)
Zn
0.5
Fe2O
(4
‑
x)
催化剂，与CuFe2O4催化剂或ZnFe2O4催化剂相比，多组分金属氧化物包含更多晶格缺陷，有利于有机污染物吸附在催化剂表面，进而被活性物种氧化，同时多金属之间的协同效应和电子转移有利于提高催化性能。
[0015]二、本专利技术得到的多孔磁性导电自掺杂Cu
x
‑
Cu
(0.5
‑
x)
Zn
0.5
Fe2O
(4
‑
x)
催化剂呈多孔球形，多孔结构增加了催化剂的比表面积，有利于物质的传输和扩散；
[0016]三、本专利技术采用还原性强的乙二醇和异丙醇为溶剂，控制碱源乙酸钠的加入量，可诱导Cu
0.5
Zn
0.5
Fe2O4晶体产生本征缺陷，最终产物化学式由Cu
0.5
Zn
0.5
Fe2O4变为Cu
x
‑
Cu
(0.5
‑
x)
Zn
0.5
Fe2O
(4
‑
x)
，实现原位自掺杂Cu，铜单质提供了更多活性位点和氧空位，有利于催化反应过程中的电子转移，并产生大量的表面活性氧，此外自掺杂无需引入外源离子，制备成本低，方法简便，操作安全。
[0017]四、采用十六烷基三甲基溴化铵修饰催化剂表面，不仅有利于颗粒分散，避免团聚，而且防止单质铜表面生成氧化铜，降低电导率。
[0018]本专利技术得到的多孔磁性导电自掺杂Cu
x
‑
Cu
(0.5
‑
x)
Zn
0.5
Fe2O
(4
‑
x)
催化剂分散性好、比表面积大、电子转移能力强，催化臭氧化降解诺氟沙星废水效果显著(在催化剂用量为0.5g/L和臭氧用量为1.52mg/L下，当诺氟沙星浓度为10mg/L时，催化臭氧化处理30min后，诺氟沙星去除率可达92.48％)，易分离回收(回收率最高达到97.98％)，循环稳定性良好(催化剂循环使用30次后，对诺氟沙星去除率依然维持在84％以上)，Cu
2+
、Zn
2+
、Fe
3+
浸出均小于0.5mg/L，无二次污染，所以本专利技术得到的多孔磁性导电自掺杂Cu
x
‑
Cu
(0.5
‑
x)
Zn
0.5
Fe2O
(4
‑
x)
催化剂适用于抗生素废水的深度处理。
附图说明
[0019]图1为本专利技术Cu...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂，其特征在于所述多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂的化学式为Cu
x
‑
Cu
(0.5
‑
x)
Zn
0.5
Fe2O
(4
‑
x)
，x＝0.3～0.35；呈多孔球形，粒径集中在120nm～180nm。2.如权利要求1所述一种多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂的制备方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：一、制备溶液A：将硝酸铜、硫酸锌和硝酸铁溶于乙二醇中，在温度为20～40℃下搅拌至硝酸铜、硫酸锌和硝酸铁完全溶解，然后加入乙酸钠粉末，再搅拌均匀，得到溶液A；所述硝酸铜、硫酸锌与硝酸铁的摩尔比为0.5:0.5:2；二、制备溶液B：将十六烷基三甲基溴化铵溶于异丙醇中，搅拌至完全溶解，得到溶液B；三、制备前驱体：将溶液B加入溶液A中，在温度为20～40℃下搅拌均匀，得到催化剂前驱体；四、水热反应：将催化剂前驱体置于内衬聚四氟乙烯的反应釜中进行水热反应，得到水热反应产物；五、洗涤、干燥：将水热反应产物取出后经洗涤、干燥，得到多孔磁性导电自掺杂Cu
x
‑
Cu
(0.5
‑
x)
Zn
0.5
Fe2O
(4
‑
x)
催化剂。3.根据权利要求2所述的一种多孔磁性导电自掺杂铜的铜锌铁氧体催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述硝酸铜、硫酸锌和硝酸铁的总物质的量与乙二醇的体积比为3mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兰河，李怡然，张海丰，朱遂一，李正，贾艳萍，张健，张明爽，陈子成，赵君田，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：