[发明专利]一种反应速度可控的铁－二氧化钛－碳三元微电解复合纳米催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水处理剂及其方法。尤其涉及一种反应速度可控的铁-二氧化钛-碳三元微电解复合纳米催化剂及制备方法与应用；属于水处理催化剂及其制备领域。

背景技术

废水中的有机物是重要的水污染源之一，因此，与有机物有关的化学需氧量(COD)也是环境水资源需要控制的指标。为降低水中的COD，达到日益提高的环保排放标准要求，人们发明了许多降解有机物的方法。其中，去除工业废水中难降解的有机物即是一种有效而重要的方法。在这种方法中，最常用的方法是铁-碳微电解法。

铁-碳微电解法的原理是利用铁-碳颗粒之间存在着电位差而形成了无数个细微原电池。由于铁的电位比碳低，因此，可以作为为电池的阳极在酸性条件下被腐蚀，生成的二价铁容易与水中的羟基作用生成羟基自由基，而在碳阴极上面逸出的电子，则会被吸附于催化剂表面的氧俘获，再与水分子作用形成羟基自由基。羟基自由基具有非常强的氧化能力，几乎可以无选择地将水中的有机物分解成二氧化碳和水。因此，基于铁-碳微电解法的原理制备的复合材料是一种非常有前景的氧化催化剂。应用时水中生成的二价铁离子，可以加入少量的碱，通过絮凝反应形成铁泥进行去除，同时，絮凝过程中也可以进一步除去水中带微弱负电荷的颗粒。

传统上微电解工艺所采用的微电解催化剂一般为铁屑和木炭进行高温反应形成的，使用前要加酸碱活化，使用的过程中很容易钝化板结，又因为铁与碳的接触不紧密，在催化过程中，二者之间很容易形成隔离层使微电解不能继续进行而失去作用，这导致了频繁地更换微电解材料，不但工作量大成本高还影响废水的处理效果和效率。另外，传统微电解材料表面积太小也使得废水处理需要很长的时间，增加了吨水投资成本，这都严重影响了微电解工艺的利用和推广。另外，传统的微电解氧化反应速度过快，也更加剧了铁与碳的剥离，使催化剂后期效果迅速劣化。具体的，如中国专利“CN201310237012-一种利用有色金属废矿渣生产铁炭微电解填料的方法”，是利用铜渣中的零价铁、硫化亚铁……等生产铁炭微电解填料，其中铜矿渣在专利中起的作用是利用铜矿提炼之后矿渣中含的铁的成分与褐煤一起烧结后形成金属铁，制备铁-碳微电解催化剂，但其中并没有任何物质进行氧化还原电位调控和氧化速速度调控的构想；另外，其没有微结构的作用控制氧化过程中催化剂的坍塌。“CN201410444688-一种铜基铁碳微电解催化剂”专利没有指明氧化铜或者铜矿渣在铁碳微电解催化剂中的作用，只是提到要解决水处理剂“普遍存在孔容及活性偏低、落粉度大、存在对水的二次污染使用寿命短、成本核算高等不足。”但在实施例中也没有分析氧化铜与其它铜化合物的作用效果。纵观以上所有的催化剂都没有利用中间氧化还原电位对微电解催化剂进行氧化催化能力调控，利用纳米带的一维形貌实现烧结后多孔结构的技术思想。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提出一种反应速度可控的铁-二氧化钛-碳三元微电解复合纳米催化剂及制备方法与应用。

本发明所述的反应速度可控的铁-二氧化钛-碳三元微电解复合纳米催化剂，是由二氧化钛纳米带、炭黑和纳米铁粉经干压成型后再煅烧制成，其特征在于，所述复合纳米催化剂形状为圆柱状多孔结构，圆柱直径为2±0.2cm，高2±0.2cm，其由以二氧化钛纳米带为载体，且其表面分散嵌合有碳颗粒和金属铁颗粒的带状物聚集构成，其中二氧化钛的质量分数为20-80％；碳的质量分数为10-40％；铁的质量分数为10-40％；所述复合纳米催化剂结构中的带状物为纳米带，其长度为5-200μm，宽度为100-200nm，厚度为20-40nm；带状物表面分散嵌合的碳颗粒粒径为30-50nm，金属铁颗粒粒径为60-70nm。

进一步优选的方式是，所述复合纳米催化剂由以二氧化钛纳米带为载体，且其表面分散嵌合有碳颗粒和金属铁颗粒的带状物聚集构成，其中二氧化钛的质量分数为40-60％；碳的质量分数为20-35％；铁的质量分数为20-35％；所述复合纳米催化剂结构中的带状物为纳米带，其长度为50-100μm，宽度为100-160nm，厚度为25-35nm；带状物表面分散嵌合的碳颗粒粒径为30-50nm，金属铁颗粒粒径为60-70nm。

本发明所述反应速度可控的铁-二氧化钛-碳三元微电解复合纳米催化剂的制备方法，步骤是：

(1)取二氧化钛纳米带，炭黑和纳米铁粉，按二氧化钛:碳:铁重量比为2～10:0.2～2:0.3～6的比例混合，再按照料:球:水＝1:2:1在球磨机中球磨混料，时间为2-20小时；

其中：上述二氧化钛纳米带采用常规碱热-离子交换方-热处理方法制得；