一種以NiFe₂O₄磁性納米材料為催化劑的臭氧化水處理方法

2023-06-22 12:49:41

專利名稱：一種以NiFe2O4磁性納米材料為催化劑的臭氧化水處理方法
技術領域：
本發明提出一種以NiFe2O4磁性納米材料作為催化劑的臭氧化水處理方法，屬於環境催化和水處理領域。
背景技術：
當前，隨著工農業的迅猛發展，含有機汙染物的工業廢水和農業廢水排放量日益增多。其中許多有機汙染物毒性大、難被生物降解，對生態環境和人類健康造成了嚴重的威脅，因此對於該類有機廢水的有效處理引起人們廣泛關注。臭氧分子具有較強的氧化能力(En = 2. 07V)，且臭氧化過程在常溫常壓下進行，條件溫和、操作簡便，對有機汙染物去除徹底，因而在水處理中具有廣闊的應用前景。但以芳香類和稠環類化合物為代表的有機汙 染物具有很高的穩定性，單獨臭氧化降解效率較低，催化臭氧化則是利用催化劑在常溫常壓下強化臭氧氧化的一種高級氧化過程。研究表明催化反應過程中產生的羥基自由基非常活潑，氧化電位高達2. 33V，能降解大多數穩定性高、毒性大和難降解的有機汙染物。因此，催化臭氧化降解水中有機汙染物的研究日益受到重視。催化臭氧化可分為均相催化和多相催化。多相催化臭氧化在常溫常壓下反應，操作方便、氧化能力強，在有機廢水處理中應用前景廣闊。近年來，隨著納米材料與納米技術的研究不斷深入，納米材料製備技術日臻成熟，納米材料在催化領域的研究引起了人們的
廣泛關注。磁性納米催化劑，一方面尺度小、比表面大、分散性好，有利於提高催化臭氧化效率。另一方面依據外在磁場，可以方便，快速地將其分離、回收、再利用，克服非磁性納米催化劑難回收的缺點。磁性納米催化劑的使用，提高催化劑的使用效率、避免催化劑對水質造成汙染、降低汙水處理成本。因此開發高效的磁性納米催化劑，是推進催化臭氧化工業化應用的一種有效方法。

發明內容
本發明的目的在於提供一種磁性納米催化劑的臭氧化水處理方法，降低水汙染，提高催化臭氧化的應用價值。本發明的目的可以通過以下技術方案實現(I) NiFe2O4磁性納米材料的製備將Ni (NO3) 2 · 6H20和Fe (NO3) 3 · 9H20溶解於水中，其中Fe Ni = 2 I (摩爾比)。加入摩爾濃度為4. 4mol/L氫氧化鈉溶液，同時劇烈攪拌數分鐘後轉移到反應釜中，在180°C下密封保持24h，反應完成後自然冷卻至室溫，去離子水洗滌所得沉澱至中性，乾燥產品，得到NiFe2O4納米材料。(2)臭氧化水處理將得到的NiFe2O4納米材料作為催化劑加入到臭氧化水處理體系中，通入臭氧，攪拌，降解水中有機汙染物。(3)不同催化劑量的臭氧化效果通過比較催化劑的用量，發現催化劑與所處理廢水的質量之比為O. 00025-0. 002時具有顯著的催化降解效果。催化劑量越多，有機物降解效果越理想。(4)NiFe2O4納米材料磁性可分離性將質量濃度I. O g/L的NiFe2O4水溶液分散在試劑瓶中，將磁鐵置於試劑瓶壁，很短一段時間後，NiFe2O4納米材料很好地吸在試劑瓶壁上，得到一澄清溶液。本發明的有益效果通過水熱的方法，合成出NiFe2O4磁性納米材料，將其作為臭氧化催化劑，較單獨臭氧化，催化臭氧化使汙水中有機汙染物的降解速率有所加快，礦化程度有所提高。此外NiFe2O4納米材料具有磁性，反應結束，藉助外界磁場能有效地將其分離，克服了非磁性納米催化劑難分離的缺點，便於重複利用。與現有臭氧化水處理催化劑相比較，本發明具有顯著的特點(I)NiFe2O4的製備方法操作簡單，原料易得，合成過程周期短，無毒無汙染。(2)納米NiFe2O4顆粒在水中具有良好的分散性，有利於提高與臭氧、水中汙染物 的接觸。因此在使用過程中，較小的投入量即可取得較好的催化效果。(3)NiFe2O4納米材料對水中苯酚的吸附性能非常微弱，其催化作用主要來自催化劑表面與臭氧作用，促進臭氧的分解產生羥基自由基，進而提高降解效率。(4) NiFe2O4納米材料具有磁性，藉助外界磁場能有效地將其分離，便於重複利用。


圖I為實施例I所得產品的TEM照片；圖2為實施例I所得產品的XRD圖譜；圖3為實施例I中苯酚隨臭氧化時間的濃度變化曲線，⑴線為單獨臭氧化(無催化劑)，(2)線為實例I中NiFe2O4納米材料催化臭氧化；圖4為實施例I中苯酚隨臭氧化時間的濃度變化曲線，⑴線為單獨臭氧化(無催化劑)，(2)線為實例I中NiFe2O4納米材料催化臭氧化，(3)線為叔丁醇存在下實例I中NiFe2O4納米材料；圖5為實施例I中不同催化劑量下苯酚隨臭氧化時間的濃度變化曲線，(I)線為單獨臭氧化(無催化劑)，(2)線為實例I中NiFe2O4納米材料(O. 05g)催化臭氧化，(3)線為實例I中NiFe2O4納米材料(O. IOg)催化臭氧化，(4)線為實例I中NiFe2O4納米材料(O. 20g)催化臭氧化，(5)線為實例I中NiFe2O4納米材料(O. 40g)催化臭氧化。圖6為實施例I中所得催化劑的磁分離示意圖。
具體實施例方式為了更具體的說明本發明的方法，下面給出本發明的實施例，但本發明的應用不限於此。實施例I稱取2. 04g Ni (NO3) 2 ·6Η20 和 5. 66g Fe (NO3) 3 ·9Η20 溶解於 140ml 蒸餾水中，溶液混合均勻後，加入20ml，4.4mol/L NaOH溶液，劇烈攪拌。將所得液轉移到聚四氟乙烯內襯反應釜中，180°C下密封保持24h ;反應完成後自然冷卻至室溫，去離子水洗滌所得沉澱至中性，80°C乾燥，得到NiFe2O4納米材料。其TEM照片見圖1，XRD圖譜見圖2。實施例2
在200ml含苯酚初始濃度為300mgじ1的模擬廢水中，添加NiFe2O4納米材料0. 20g,開動攪拌,在反應溫度20°C下通入臭氧流量0. 75mg/min的臭氧,記錄不同時間下苯酚的濃度。結果分別如圖3所示。圖3中(I)線為單獨臭氧化(無催化劑)，⑵線為實例I中NiFe2O4納米材料催化臭氧化。表明在其他相同的情況下，NiFe2O4納米材料的加入顯著促進了苯酚的降解。實施例3在200ml含苯酚初始濃度為300mgじ1的模擬廢水中，添加NiFe2O4納米材料0. 20g，加入叔丁醇，質量濃度為10g/L，攪拌，在反應溫度20°C下通入臭氧流量0. 75mg/min的臭氧，記錄不同時間下苯酚的濃度。結果分別如圖4所示。
圖4中(I)線為單獨臭氧化(無催化劑)，⑵線為實例I中NiFe2O4納米材料催化臭氧化，(3)線為叔丁醇存在下實例I中NiFe2O4納米材料催化臭氧化。表明在其他條件相同的情況下，叔丁醇的加入明顯抑制了苯酚的降解。實施例4在200ml含苯酚初始濃度為300mgじ1的模擬廢水中，添加不同量NiFe2O4納米材料，分別添加0. 05g、0. 10g、0. 20g和0. 40g，攪拌，在反應溫度20°C下通入臭氧流量0. 75mg/min的臭氧,記錄不同時間下苯酹的濃度。結果分別如圖5所示。圖5中(I)線為單獨臭氧化(無催化劑)，⑵線為實例I中NiFe2O4納米材料(0. 05g)催化臭氧化，(3)線為實例I中NiFe2O4納米材料(0. IOg)催化臭氧化，(4)線為實例I中NiFe2O4納米材料(0. 20g)催化臭氧化，(5)線為實例I中NiFe2O4納米材料(0. 40g)催化臭氧化。表明在其他相同的情況下，催化劑量越多，苯酚的降解效果越顯著。實施例5將10ml, lg/L的NiFe2O4水溶液至於一試劑瓶中，超聲分散。將一磁鐵至於試劑瓶旁，確定催化劑的磁分離性。結果分別如圖6所示。圖6展示了催化劑磁分離的過程，表明NiFe2O4納米材料具有顯著的磁分離性。
權利要求
1.一種以NiFe2O4磁性納米材料作為催化劑的臭氧化水處理方法，其特徵在於在臭氧化水處理的體系中加入NiFe2O4磁性納米材料作為催化劑，促進苯酚類有機汙染物的降解，基於NiFe2O4的磁性，可以有效回收NiFe2O4納米材料，步驟為 (1)NiFe2O4磁性納米材料的製備將Ni (NO3) 2 · 6H20和Fe (NO3) 3 · 9H20溶解於水中，其中Fe : Ni = 2 : I (摩爾比)。加入摩爾濃度為4. 4mol/L氫氧化鈉溶液，同時劇烈攪拌數分鐘後轉移到反應釜中，在180°C下密封保持24h，反應完成後自然冷卻至室溫，去離子水洗滌所得沉澱至中性，乾燥產品，得到NiFe2O4納米材料。
(2)臭氧化水處理將得到的NiFe2O4納米材料作為催化劑加入到臭氧化水處理體系中，通入臭氧，攪拌，降解水中有機汙染物。
(3)NiFe2O4納米材料磁分離反應結束，藉助外界磁場能有效地將其分離，克服了非磁性納米催化劑難分離的缺點，便於重複利用。
2.根據權利要求I所述的以NiFe2O4磁性納米材料作為催化劑的臭氧化水處理方法，其特徵在於催化劑與所處理廢水的質量之比為O. 00025-0. 002時具有顯著的催化降解效果。
全文摘要
一種以NiFe2O4磁性納米材料為催化劑的臭氧化水處理方法，本發明通過水熱的方法製備出NiFe2O4磁性納米材料，並作為催化劑加入到含苯酚類廢水的臭氧化水處理體系中，促進苯酚類有機汙染物的降解，在此基礎上提出了一種新型的臭氧化水處理方法。該方法屬於水處理和環境催化技術領域。所得NiFe2O4磁性納米材料尺度小，在水溶液體系中分散性好，藉助於外界磁場可以有效地將其分離、回收，在臭氧化水處理應用中具有廣闊的前景。
文檔編號B01J23/755GK102863070SQ20121038411
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月7日 優先權日2012年10月7日
發明者董玉明, 趙輝, 蔣平平, 王光麗, 王進, 何賽飛, 鄭佳, 許晶 申請人:江南大學