一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂及其制备方法和应用，包括以下步骤：首先将原始纤维材料溶解于酸溶液中并加热改性，将纤维材料表面的羟基改性为与过渡金属更具亲和力的羧基基团，得到羧化纤维材料；再将羧化纤维材料溶解于三价铁盐溶液中，在常温下搅拌，洗涤离心后烘干，即得到载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂。该催化剂以Fe

【技术实现步骤摘要】
一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及废水处理领域，特别是涉及一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]染料广泛应用于纺织和印刷等行业，抗生素广泛应用于医疗、水产养殖和农牧养殖等行业，大量不符合排放标准的染料和抗生素废水排放到自然水体中，对生态环境和人体健康存在严重的潜在风险。因此，有效去除水体中的染料和抗生素至关重要。目前，最有效的有机废水处理方法是高级氧化法，相比于传统物理化学法和生物处理技术，高级氧化法具有矿化效率高、氧化效率好且无二次污染等优点。传统芬顿(Fenton)氧化法是由H2O2和Fe
2+
在pH为2
‑
3.5的条件下发生反应，生成羟基自由基(HO
·
)快速将水中有机污染物降解为低毒或者无毒的小分子物质或者彻底矿化为CO2和H2O。然而，传统Fenton法具有pH适用范围狭窄(2
‑
3.5)、H2O2不稳定，铁资源难以回收且易产生铁污泥造成二次污染等缺点，这些缺点严重限制了Fenton工艺的应用。为了克服以上问题，研究者们致力于发展非均相类芬顿催化剂，直接使用金属氧化物或者使用载体负载催化活性组分代替Fe
2+
作为催化剂。
[0003]相比于传统均相芬顿体系中H2O2与溶液中金属离子发生一系列链反应，非均相类芬顿催化体系是将游离的金属离子固相化，在催化剂表面进行芬顿反应产生HO
·
高效氧化分解难降解有机污染物(公式1)。然而，金属氧化物催化剂存在以下不足：(1)团聚问题。多个纳米金属颗粒团聚形成较大颗粒，降低催化剂比表面积，从而降低催化效率；(2)金属流失。大部分金属矿物(如黄铁矿，菱铁矿)通过不断释放Fe
3+
或Fe
2+
催化降解有机污染物，金属离子的浸出不仅导致催化剂表面活性组分减少，同时给水体造成二次污染；(3)回收困难。纳米金属颗粒通常具有较强的亲水性且颗粒较小，不易回收利用。
[0004]Fe(Ⅱ) + H2O2ꢀ→ꢀ
≡Fe(Ⅲ) + HO
· + OH
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0005]相比之下，负载型催化剂可以避免以上不足，寻找一种有效的催化剂载体是构建负载型催化剂的重要任务。纤维素是自然界中最丰富的天然聚合物之一，具有良好的生物相容性、可再生性、环境友好性、来源广且成本低等优点。纤维素表面含有亲水的羟基官能团，可以被氧化形成羧基，羧化后纤维素中的羧基活性基团(
‑
COO
‑
)更易与金属离子发生强配位作用。因此，纤维素作为催化剂载体在污水处理中具有良好应用前景。

技术实现思路

[0006]为了克服均相芬顿体系和非均相金属氧化物作为催化剂的不足，本专利技术的目的在于提供一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂及其制备方法和应用。
[0007]具体采用的技术方案如下：
[0008]一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂，载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂以Fe
3+
为催化活性成分，以羧化纤维材料为载体，Fe
3+
以离子形式负载于羧化纤维材料表面。
[0009]本专利技术还提供了该载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂的制备方法，包括如下步
骤：
[0010](1)纤维材料改性处理：
[0011]将原始纤维材料溶于酸溶液中搅拌后先加热反应，再升温反应，水洗至中性得到羧化纤维材料；
[0012](2)载铁型羧化纤维复合材料的制备：
[0013]将羧化纤维材料溶于Fe
3+
盐溶液中，室温下搅拌，随后洗涤离心至中性后烘干，得到载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂。
[0014]优选的，原始纤维材料为表面含有羟基的天然纤维或合成纤维；酸溶液选自柠檬酸、草酸、苹果酸、酒石酸和水杨酸中的任意一种。
[0015]优选的，步骤(1)中，原始纤维材料和酸溶液的质量体积比为(1～4)g:20mL，酸溶液浓度为0.1～1mol/L。
[0016]优选的，步骤(1)中，加热反应温度为40～70℃，加热反应时间为5～8h，升温反应温度为110～140℃，升温反应时间为1～3h。
[0017]优选的，步骤(2)中，Fe
3+
盐选自氯化铁、硝酸铁、硫酸铁中的任意一种。
[0018]优选的，步骤(2)中，羧化纤维材料与Fe
3+
盐的质量体积比为3g:(5～20)mL，酸溶液与Fe
3+
盐的浓度比为1:(1～5)。
[0019]本专利技术还提供了该载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂在催化降解有机物中的应用。
[0020]优选的，催化降解包括以下步骤：
[0021]常温下配制初始pH＝3.0～7.0、浓度为5～15mg/L的有机物水溶液，加入载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂与氧化剂，搅拌启动反应，有机物水溶液、载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂与氧化剂的投加比为(0.5～3)mg/L:(1～4)g/L:(0.1～0.5)mmol/L。
[0022]优选的，有机物选自磺胺甲恶唑、甲基橙、恩诺沙星、四环素、地塞米松和罗丹明B中的任意一种；氧化剂选自过硼酸钠、过硫酸钾、过碳酸钠、过氧化钙和过氧乙酸中的任意一种。
[0023]本专利技术与现在技术相比具有如下有益效果：
[0024]本专利技术的催化剂为颗粒状和棉纱线状，易于从处理后的废水中回收利用，该非均相催化剂以Fe
3+
为催化活性组分，以羧基化的表面含有羟基的纤维材料为催化剂载体，直接将Fe
3+
负载于羧化纤维材料表面，避免了活性组分的团聚且直接发挥作用，抑制了金属离子流失，在催化氧化处理抗生素及染料等有机污染物时效果明显；制备工艺简单，易于操作，易于分离回收，且纤维素作为天然高分子聚合物，其来源广泛，成本较低，对环境无二次污染。
附图说明
[0025]此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理，其中：
[0026]图1是实施例1所制备的微晶纤维素(MCC)，羧化纤维素(CMCC)和载铁型羧化纤维素(Fe(Ⅲ)@CMCC)的扫描电镜图；
[0027]图2是实施例1所制备的MCC，CMCC和Fe(Ⅲ)@CMCC样品的X射线衍射图；
[0028]图3是实施例1所制备的MCC，CMCC和Fe(Ⅲ)@CMCC样品的傅里叶红外变换光谱图；
[0029]图4是实施例1所制备的Fe(Ⅲ)@CMCC的Fe 2p的X射线光电子谱图；
[0030]图5是基于Fe(Ⅲ)@CMCC和过硼酸钠的不同体系对磺胺甲恶唑的降解效率；
[0031]图6是基于Fe(Ⅲ)@羧化棉纱和过硼酸钠的不同体系对磺胺甲恶唑的降解效率；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂，其特征在于，所述载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂以Fe
3+
为催化活性成分，以羧化纤维材料为载体，所述Fe
3+
以离子形式负载于所述羧化纤维材料表面。2.根据权利要求1所述的一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)纤维材料改性处理：将原始纤维材料溶于酸溶液中搅拌后先加热反应，再升温反应，水洗至中性得到所述羧化纤维材料；(2)载铁型羧化纤维复合材料的制备：将所述羧化纤维材料溶于Fe
3+
盐溶液中，室温下搅拌，随后洗涤离心至中性后烘干，得到所述载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂。3.根据权利要求2所述的载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂的制备方法，其特征在于，所述原始纤维材料为表面含有羟基的天然纤维或合成纤维；所述酸溶液选自柠檬酸、草酸、苹果酸、酒石酸和水杨酸中的任意一种。4.根据权利要求2所述的载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述原始纤维材料和所述酸溶液的质量体积比为(1～4)g:20mL，所述酸溶液浓度为0.1～1mol/L。5.根据权利要求2所述的载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述加热反应温度为40～70℃，所述加热反应时间为5～8h，所述升温反应温度为110～14...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁德玲，潘诗雨，王志斌，唐首锋，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：