申請日2014.10.15
公開(公告)日2017.02.15
IPC分類號B01J27/19; C02F1/30; C02F1/72
摘要
本發(fā)明屬環(huán)境催化材料領(lǐng)域，具體涉及一種污泥負載鐵多相光Fenton催化材料及其制備方法。將污泥與鐵鹽以一定比例混合并干燥后，通過空氣氛350oC煅燒3‑5 h，將鐵氧化物通過Si‑O‑Fe鍵負載在污泥載體上，形成由Na、Mg、Al、Si、P、S、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Ni、Cu等元素構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)負載鐵多相光Fenton催化材料。該技術(shù)利用污泥作為天然載體的優(yōu)勢，既成功實現(xiàn)了污泥的資源化，又充分利用了污泥中富含的多種無機成分和固體有機物，使制得的污泥負載鐵多相光Fenton催化材料光催化范圍擴展到可見光，且催化活性較負載于污泥前性能得到顯著提高，該技術(shù)制備成本低廉，操作簡單易行，易于規(guī)�；茝V。
權(quán)利要求書
1.一種污泥負載鐵多相光Fenton催化材料，其特征在于所述催化材料具有介孔結(jié)構(gòu)特征，比表面積為4-15 m2/g;包括Na、Mg、Al、Si、P、S、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Ni和Cu，催化材料中鐵含量為10-25%，催化材料中其它金屬/重金屬含量為0.01-3%;負載的鐵氧化物主要以α-Fe2O3的形式存在。
2.一種如權(quán)利要求1所述的污泥負載鐵多相光Fenton催化材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下：
(1) 將污泥置于鐵鹽水溶液中室溫攪拌3-10 h，將所得懸濁液離心，固體置于烘箱中105℃烘干，其中，鐵鹽和污泥的質(zhì)量比為0.5-100 mg/g;
(2) 將步驟(1)得到的固體置于馬弗爐中空氣氣氛下350℃煅燒3-5 h，使鐵化合物負載于污泥上，同時，使污泥中的吸附水和部分有機物體在煅燒過程中揮發(fā)、燃燒或碳化，得到由多孔結(jié)構(gòu)負載鐵多相光Fenton催化材料，負載的鐵氧化物主要以α-Fe2O3的形式存在，并通過Si-O-Fe鍵負載在污泥載體上，重金屬作為光敏劑摻雜在所制備的催化材料中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的污泥負載鐵多相光Fenton催化材料的制備方法，其特征在于所述污泥為剩余污泥、脫水污泥或消化污泥中任一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的污泥負載鐵多相光Fenton催化材料的制備方法，其特征在于所述鐵鹽為FeSO4•7H2O、(NH4)2Fe(SO4)2•6H2O、FeCl3•6H2O或Fe(NO3)3•9H2O中任一種。
5.一種如權(quán)利要求1所述的污泥負載鐵多相光Fenton催化材料在可見光、紫外光或太陽光下催化光Fenton反應的應用。
說明書
一種污泥負載鐵多相光Fenton催化材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于環(huán)境催化材料領(lǐng)域，涉及一種污泥負載鐵多相光Fenton催化材料及其制備方法。
背景技術(shù)
“十二五”以來，我國污水處理能力及處理率迅速增長，污水處理市場已從設(shè)施建設(shè)向運營轉(zhuǎn)變，而隨著運營市場的完善，隨之而來的就是污泥問題的凸顯。預測到2015年，全年城鎮(zhèn)污水處理廠濕污泥(含水率80%)產(chǎn)生量將達到3359萬噸。傳統(tǒng)的污泥處理方法，如土地填埋、露天堆放和外運等方式已經(jīng)無法適應日趨嚴格的污泥處理處置標準，因此，開發(fā)新的可能的污泥資源化利用方法具有重要的環(huán)境意義和經(jīng)濟價值。
多相光Fenton反應催化材料是將具有催化活性的鐵化合物固定在相應的具有較大比表面積的載體上。既具有了均相Fenton的無差別的高效催化性能，又不會由于反應后鐵離子的無法回收而造成二次污染，因此成為近年來研究的熱點。從上世紀八十年代以來，Nafion、分子篩、活性炭等均被用來作為鐵活性位點的載體，一系列相應的多相光Fenton反應催化材料被成功研制，但是這些催化材料只能在紫外光下被激發(fā)，部分還存在成本較高且在反應過程中容易失活的問題。
污泥中含有一定的金屬和重金屬、SiO2和有機固體，以污泥為載體制備的光Fenton催化材料相比普通光Fenton催化材料，有以下三方面性能優(yōu)勢：第一，污泥中的部分重金屬能夠作為可見光光敏劑將光Fenton反應的光響應范圍擴展到可見光區(qū)域;第二，污泥中富含SiO2，鐵氧化物可通過Si-O-Fe鍵負載在污泥載體上的，保證了在反應過程中催化劑穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和活性，不會產(chǎn)生二次污染;第三，污泥中的有機固體在該催化材料制備過程中能夠產(chǎn)生孔洞結(jié)構(gòu)，有利于促進形成催化材料的中孔-介孔雙孔結(jié)構(gòu)。
目前，多相光Fenton反應催化材料的載體多為Nafion、分子篩和活性炭等，部分還存在成本較高的問題，本發(fā)明將公開一種簡單易行、成本低廉的污泥負載鐵多相光Fenton催化材料及其制備方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于充分利用污泥中的金屬、重金屬、SiO2和有機固體等成分，提供一種簡單易行、成本低廉的污泥負載鐵多相光Fenton催化材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是：利用污泥作為天然載體的優(yōu)勢，將其中的金屬、重金屬和SiO2等無機成分充分分離，并保留污泥中的部分有機成分以固體形態(tài)存在，使從污泥主體中分離出來的金屬和重金屬能夠在后續(xù)制備過程中作為摻雜存留在催化材料中，使SiO2和有機固體在后續(xù)制備過程中分別能夠作為載體和促進形成孔狀結(jié)構(gòu)。然后，通過高溫煅燒形成由Na、Mg、Al、Si、P、S、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Ni、Cu等元素構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)負載鐵多相光Fenton催化材料。
本發(fā)明提出的污泥負載鐵多相光Fenton催化材料，所述催化材料具有介孔結(jié)構(gòu)特征，比表面積為4-15 m2/g;具有多種金屬、重金屬元素，包括Na、Mg、Al、Si、P、S、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Ni和Cu，催化材料中鐵含量為10-25%，催化材料中其它金屬/重金屬含量為0.01-3%;負載的鐵氧化物主要以α-Fe2O3的形式存在。
本發(fā)明提出的污泥負載鐵多相光Fenton催化材料的制備方法，具體步驟如下：
(1) 將污泥置于鐵鹽水溶液中室溫攪拌3-10 h，將所得懸濁液離心，固體至于烘箱中105℃烘干，其中，鐵鹽和污泥的質(zhì)量比為0.5-100 mg/g;
(2) 將步驟(1)得到的固體置于馬弗爐中空氣氣氛下350℃煅燒3-5 h，使鐵化合物負載于污泥上，同時，使污泥中的吸附水和部分有機物體在煅燒過程中揮發(fā)、燃燒或碳化，從而得到由Na、Mg、Al、Si、P、S、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Ni、Cu等元素構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)負載鐵多相光Fenton催化材料。在這一過程中，負載的鐵氧化物主要以α-Fe2O3的形式存在，并通過Si-O-Fe鍵負載在污泥載體上，重金屬也在這一過程中作為光敏劑摻雜在所制備的催化材料中。
本發(fā)明中，所述污泥為剩余污泥、脫水污泥或消化污泥中任一種。
本發(fā)明中，所述鐵鹽為FeSO4•7H2O、(NH4)2Fe(SO4)2•6H2O、FeCl3•6H2O或Fe(NO3)3•9H2O中任一種。
本發(fā)明所得污泥負載鐵多相光Fenton催化材料的催化原理為：所含的重金屬及其氧化物被可見光激發(fā)，激發(fā)態(tài)的重金屬及其氧化物還原Fe3+生成Fe2+，從而發(fā)生Fenton反應。反應的主要活性基團為羥基自由基。
本發(fā)明中，所述污泥負載鐵多相光Fenton催化材料的用途為：在可見光、紫外光或太陽光下催化光Fenton反應的進行，適用于水中多種污染物的降解礦化，反應速率快，催化材料穩(wěn)定性好，可重復利用。
該制備方法以及所得到的催化材料具有以下優(yōu)點：
1. 在制備方法上，采用污泥作為載體，既為污泥的資源化利用技術(shù)提供新的參考，又降低了負載鐵多相光Fenton催化材料的成本，污泥中原有的部分鐵元素也被用來作為光Fenton反應的催化活性位點，從而減少了鐵鹽的加入量，進一步降低了生產(chǎn)成本。
2. 在材料性能上，充分利用了污泥中富含的多種無機成分和物體有機物，使制得的污泥負載鐵多相光Fenton催化材料的性能得到顯著提高：增大光響應范圍至可見光，提高催化效率，催化材料穩(wěn)定性好，可重復利用。
3. 在制備步驟上，制備過程簡單易行，易于推廣。
