一種Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑的製備方法及應用與流程
2024-04-07 21:22:05 2
本發明屬於高級氧化非均相催化劑研發技術領域，具體一種Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑的製備方法及應用。
背景技術：
近年來，為了實現工業資源的優化，促進國民經濟的快速發展，我國建設了一批又一批的經濟開發區、工業園區等。隨之產生的是大量有毒、有害的工業廢水，而國內工業園區的廢水大多採用集中處理的方式，各企業排放的廢水水質差異較大，導致工業園區混合廢水的處理難度加大，採用傳統的市政汙水處理工藝常常無法使出水達標排放。因此，在環境負荷已達頂點的時期，研究開發一種高效經濟的工業廢水處理技術，提高出水水質，實現廢水資源化是十分必要的。
高級氧化處理技術在高難度有機廢水處理中應用廣泛，且效果顯著。但傳統的高級氧化技術存在以下問題，催化氧化法耗能較高，催化劑消耗量大，且回收困難、重複利用率低，處理效果受水體pH值的影響，處理費用普遍偏高，需要進一步發展創新。
針對上述問題，本發明利用Ni(NO3)3、FeSO4、FeCl3以及活性炭粉末製備了一種Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑。將此催化劑與過硫酸鈉構成非均相類芬頓氧化體系，可持續釋放強氧化性自由基SO4－·與OH·，催化氧化有機廢水，反應過程中，不必調劑原水pH值，催化劑回收方便，重複使用多次後催化效率仍可達到70％以上。製作成本低廉，反應易於控制，在廢水高級氧化處理方面具有較好的應用前景。
技術實現要素：
本發明針對現有類芬頓催化劑回收困難、重複利用率低、離子溶出率高、反應pH要求嚴格等，利用Ni(NO3)3、FeSO4、FeCl3以及活性炭粉末製備了一種Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑。催化劑製備過程中Fe2+與Fe3+被活性炭吸附，加入氨水化學共沉後生成磁性Fe3O4，Fe3O4既起吸附作用也起催化作用，Ni3+的摻雜可增強催化劑的磁性，提高催化劑的催化性能。在氧化降解汙染物的體系中，活性炭與Ni3+摻雜的Fe3O4起到協同催化作用，大大提高了催化氧化效率。
本發明提供了一種高效、快速、經濟、使用範圍廣的類芬頓催化劑，應用於催化氧化降解有機廢水。
一種Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑的製備方法，包括如下步驟：
(1)按比例稱取FeCl3、FeSO4和Ni(NO3)3，然後加入去離子水中，於40～80℃水浴中磁力攪拌，直到全部溶解，得到混合溶液A；
(2)在步驟(1)所得的混合溶液A中添加活性炭粉末，於40～80℃水浴中磁力攪拌反應0.5～2h，得到混合液B；
(3)步驟(2)的反應結束後，用質量百分含量為25～28％的NH3·H2O調節混合液B的pH為8～11，繼續水浴續攪拌反應0.5～2h；
(4)步驟(3)的反應結束後，將反應物進行真空抽濾，於80～120℃乾燥箱中烘乾，再於300～800℃馬沸爐中煅燒2～10h，得到Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑。
步驟(1)中，所述FeCl3與FeSO4的物質的量之比為(1～3)：1；FeCl3與FeSO4的物質的量之和與Ni(NO3)3的物質的量之比為(1～5)：1。
步驟(2)中，所述活性炭粉末的質量與步驟(1)理論生成的Fe3O4質量比為(1～5)：1，所述活性炭粉末的目數為200～300。
步驟(1)和步驟(2)中，所述磁力攪拌的速度均為100～500r/min。
將本發明製得的Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑用於催化過硫酸鈉降解有機廢水，具體用法為：將Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑、過硫酸鈉投入到有機廢水中。
所述Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑投加量與有機廢水中COD的質量比0.2～1：1；過硫酸鈉投加量與Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑的質量比為5～3：2。
所述過硫酸鈉投加量與Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑的質量比為5：2。
本發明的有益效果為：
(1)本發明所述催化劑製作流程簡便，成品催化劑成固態形式，帶有較強的磁性，可在磁場中快速分離，降解完成後，也可利用磁性進行回收改催化劑。
(2)本發明所製備的Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑用於催化過硫酸鈉降解有機廢水事，對原水pH值無特殊要求，酸性、中性、鹼性條件下均可，且中性、鹼性條件下效果更好。
附圖說明：
圖1為催化劑在磁場中分離，a-催化劑分散在溶液中，b-磁場存在下催化劑被快速分離。
圖2為催化劑重複使用對CODcr去除率的影響。
具體實施例
根據下述實施例，可以更好的理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用於說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。
實施例1：
分別稱取0.675g、0.465g、0.363g的FeCl3、FeSO4、Ni(NO3)3，於100mL燒杯中，加入50mL去離子水，磁力攪拌，直到溶解，攪拌速度200r/min；再稱，300目2.59g活性炭粉末，於60℃水浴中磁力攪拌反應1h；再用含量為28％的NH3·H2O調節pH為9，繼續水浴續攪拌反應1h；結束後，將燒杯中反應物進行真空抽濾，於100℃乾燥箱中烘乾；再於300℃馬沸爐中煅燒4h，催化劑製備完成。
一種採用上述製備方法所製備的產品對600mg/L的甲基橙模擬染料廢水進行處理。
處理條件：模擬廢水100mL、催化劑0.3g、過硫酸鈉1g、模擬廢水pH值7、反應溫度20℃、反應時間2h。該水樣處理前後CODcr的變化如表1。
表1處理前後水質
其他物料配比製作的催化劑及應用效果見表2。
處理條件：600mg/L的甲基橙模擬染料廢水100mL、催化劑0.3g、過硫酸鈉1g、模擬廢水pH值7、反應溫度20℃、反應時間2h。
表2催化劑製作配比及其實施例
根據表2可得出Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑的最佳製作配方，為實施例5。以該配方製作的催化劑為研究目標，改變催化氧化反應中條件得出該工藝最佳運行參數。具體見表3。
表3不同氧化反應條件進出水質
從表3中可知，一種Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑無論是在酸性、中性、鹼性環境下都有較高的氧化性能。
催化劑回收：圖1為催化劑在磁場存在的條件下，快速從水中分離，分離時間小於1min。
從上述實施例以及圖2的重複使用性能分析中，可知一種Ni摻雜磁性炭類芬頓催化劑不僅擁有高效的催化性能，重複使用多次後CODcr去除率仍可達到70％以上，反應條件溫和，回收快速，突破了傳統芬頓、類芬頓反應的束縛，應用前景廣闊。