[发明专利]一种纳米二氧化锰复合氧化铜催化剂及其应用

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种纳米二氧化锰复合氧化铜催化剂及其应用，尤其是在次氯酸钠分解成氯化钠和氧气的反应中的应用。

(二)背景技术：

氯气是制备盐酸、漂白粉、农药、高分子塑料、氯仿等常用的化工原料，也是化学、冶金、农药、制药等工业生产过程中常见的废气之一。含氯废气作为有毒物质，一般都需要在排放前进行必要的处理，目前常用的方法是用氢氧化钠溶液中和废气(尾气)中的氯，同时生成次氯酸钠(NaClO)。次氯酸钠是一种强氧化剂，它遇酸会分解出氯气，另外过量的次氯酸钠在水溶液中会产生致癌物三氯甲烷，因此，直接将次氯酸钠排放会污染环境，所以必须将含有次氯酸钠废液在排放前分解为氯化钠和氧气等无害物质。

次氯酸钠分解为氯化钠和氧气的方式一般采用热分解，光分解和金属催化分解。热分解的处理时间长，能耗也较高，而且其分解效率低，处理后的废水仍有较高浓度的次氯酸钠，难以达到排放标准。而光分解主要采用紫外光辐射，使其完全分解时间更长，难以满足在工业生产中处理大量废水的要求。而金属催化分解是指在金属催化剂作用下使次氯酸钠分解为氯化钠和氧气。催化分解过程中不产生有害气体Cl₂，而且分解效率高，工艺简单，成本低，易于满足工业化生产要求。金属离子的催化分解反应如下：

2MO+NaClO＝M₂O₃+NaCl

M₂O₃+NaClO＝2MO+NaCl+O₂

此前催化分解次氯酸钠的催化剂为镍基催化剂。镍基催化剂成本高，催化效率较低，次氯酸钠完全分解一般需要1个多小时。因此，有必要开发一种成本低、催化效率高的金属催化剂以满足工业化生产要求。

二氧化锰存在多种可变价态，且其表面带有负电，因而具有催化分解次氯酸钠的潜质。但常用的二氧化锰几乎没有催化性能，主要的原因是表面催化活性失活和参与催化反应的表面积较小。对此，本发明的发明人进行了大量研究以期获得一种低成本、高催化活性的二氧化锰催化剂。

(三)发明目的

本发明第一个目的在于提供一种纳米二氧化锰复合氧化铜催化剂，该催化剂制备简单、成本低，对于次氯酸钠分解生成氯化钠和氧气的反应具有优异的催化活性。

本发明第二个目的是提供所述的纳米二氧化锰复合氧化铜催化剂在次氯酸钠分解生成氯化钠和氧气的反应中的应用，在该应用中，纳米二氧化锰复合氧化铜催化剂具有优异的催化活性，能使得次氯酸钠在较低温下达到快速分解的效果。

本发明所述的纳米二氧化锰复合氧化铜催化剂，其通过如下方法制备：将硫酸锰、高锰酸钾、硫酸铜溶解在水中，充分搅拌形成前驱体溶液；将前驱体溶液置于反应釜内，加热到140～180℃水热反应10～18小时，冷却后过滤、清洗、干燥得到棕黑色粉末，即为纳米二氧化锰复合氧化铜催化剂。

本发明采用的原料硫酸锰、高锰酸钾、硫酸铜都为易采购的工业原料，所述的硫酸锰、高锰酸钾、硫酸铜的投料摩尔比为1∶(2～2.5)∶(0.7～1.1)，优选为1∶2∶0.8。反应体系内每500ml水中投加的硫酸锰、高锰酸钾、硫酸铜三种物料总和控制在5～45g范围中，优选投加量为6.6g～41.95g。

本发明中，硫酸锰、高锰酸钾、硫酸铜溶解在水中后，优选将其加热至40～50℃搅拌8～12小时，形成前驱体溶液；更优选搅拌时间为10小时。

本发明中，优选的水热反应温度为140～160℃，更优选为150℃；优选的水热反应时间为12小时。

本发明中，干燥温度需控制在130℃以下，在温度高于130℃下烘干，一方面会使催化剂的晶型结构发生变化，另一方面会使催化剂发生团聚，都会导致催化剂催化性能下降或失效，优选干燥温度在115～120℃，更优选为120℃。

具体的，本发明优选所述纳米二氧化锰复合氧化铜催化剂通过如下方法制备：将硫酸锰、高锰酸钾、硫酸铜按照摩尔比1∶2∶0.8溶解在水中，加热至40～50℃搅拌10小时，形成前驱体溶液；将前驱体溶液置于反应釜内，加热到150℃水热反应12小时，冷却后过滤、清洗、于120℃干燥得到棕黑色粉末，即为纳米二氧化锰复合氧化铜催化剂。

本发明还提供了所述的纳米二氧化锰复合氧化铜催化剂在次氯酸钠分解产生氯化钠和氧气的反应中的应用。