[发明专利]一种硫改性的多孔氧化铁催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于环境污染修复和无机材料领域，具体涉及一种硫改性的多孔氧化铁催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

我国是一个缺水大国，而环境污染特别是水污染将进一步减少可利用的水资源，制约我国经济和社会的发展。常见的污水处理方法有物理法、化学法和微生物法。物理法只能实现对污染物的转移，并不能消除其环境危害。生物法是最常见的污水处理方法，但其处理周期长，而且对于含有大量的高毒性、难降解的有机污染物的工业废水的处理效果不佳。而以羟基自由基和硫酸根自由基为基础的高级氧化技术，由于自身具有极强的氧化能力，能将有机污染物转化为无害的CO₂和H₂。

基于硫酸自由基(SO₄^-●)的过硫酸盐活化技术深度处理废水中难降解有机污染物是近年来发展起来的一种新型高级氧化技术。目前，过硫酸盐的活化途径主要有加热、紫外光、脉冲辐射和过渡金属(如Fe²⁺、Ag⁺)等，其中过渡金属尤其是过渡金属铁活化可以在常温、常压下快速进行，不需要额外的光照和加热等条件辅助，是当前研究和应用最为广泛的活化方法。然而，均相的Fe²⁺/PDS反应体系在处理污水上仍然存在着一些明显的不足，例如操作成本高、催化剂不能分离且易造成二次污染、过量Fe²⁺与硫酸根自由基反应降低反应活性等。另外，Fe²⁺活化过程中需要保持一定的酸性条件以抑制Fe²⁺氧化和沉淀，造成操作时pH范围比较窄。所有这些问题都给污水处理工作带来了不便，因此，研究更加高效经济的活化方法和制备高性能非均相活化剂活化过硫酸盐用于污染废水和土壤的修复将是未来该领域研究的主要趋势之一。

铁氧化物是自然环境中广泛存在的一类铁矿物，这些氧化铁来源丰富、成本低廉、性质稳定、容易合成、安全性好；其中许多铁氧化物可以与H₂O₂作用发生非均相Fenton反应，是备受科研工作者关注和青睐的环境友好型类芬顿催化剂。然而，区别于H₂O₂，由于过二硫酸盐性质稳定，目前文献报道显示铁氧化物很难有效活化过二硫酸盐产生硫酸根自由基。因此，开发或制备出高效率、绿色无毒的新型铁基氧化物材料，拓宽铁基氧化物的应用范围，使其能高效活化过硫酸盐和过氧化氢，将是对芬顿高级氧化技术和过硫酸盐高级氧化技术的一个重要贡献。

在高级氧化技术中，Fenton氧化法是研究最为广泛的一种。1894年，法国科学家Fenton发现在酸性水溶液中将Fe²⁺和H₂O₂混合，可以有效地将酒石酸氧化。为了纪念这项研究的发现，Fe²⁺/H₂O₂被命名为Fenton试剂，使用此种试剂的反应称为Fenton反应。作为一种强氧化剂，Fenton试剂的历史已有一百多年。对于Fenton反应的机理，目前公认的是由Habe和Weiss提出的Fenton试剂通过催化分解产生●OH进攻有机物分子，使其氧化成为CO₂，H₂O等无机物质。

现已有的关于使用Fenton试剂处理染料废水的研究很多，Fenton试剂对于染料废水的脱色效果非常好。Fenton试剂的优点在于H₂O₂分解速度快，氧化速率快，并且在黑暗中即可与有机物发生反应。Fenton试剂具有设备简单、操作方便高效、反应条件温和、易于管理的特点。已有研究发现，在Fenton反应过程中，H₂O₂与Fe²⁺的比值在3～6之间时，COD降解率较高。这是因为Fe²⁺过多时会与羟基自由基发生淬灭反应，从而消耗H₂O₂，使反应效率下降。

尽管Fenton试剂被认为是一种很强的氧化剂，并用于多种工业废水的处理中，但它有其固有的缺点和限制：