[发明专利]一种四氧化三铁纳米颗粒与氧化硅纳米纤维复合的新型类芬顿催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于环保功能材料、纳米材料与催化材料制备技术领域，具体涉及一种新型复合类芬顿催化剂及其制备方法。

背景技术

随着工业化的日益发展，有毒有害难降解有机废水的产生量不断增加，因其排放而所产生的环境污染问题日趋凸显，已成为环境保护面临的重大问题。在众多有机废水处理方法中，类芬顿催化技术已被证明是降解废水中有机污染物的有效方法，其优势在于能使氧化剂在催化剂的作用下产生具有强氧化性的羟基自由基，并将有机物彻底氧化降解为二氧化碳、水与其他无害的氧化物，对于实现有机废水的绿色与高效处理具有重要的意义。目前，该类技术中应用较多的是利用四氧化三铁作为催化剂，其不仅具有催化活性高、无毒性等特点，而且拥有独特的磁性优势，能够通过简单的磁选实现回收与再循环利用的，具有广阔的应用前景。

在现有技术中，通常使用纳米尺寸的四氧化三铁颗粒以获得更高的催化效果。因为，相比于其他更大尺寸的颗粒，如亚微米级、微米级等，纳米四氧化三铁颗粒拥有更大的比表面积而使其获得更多的反应活性位点，可大大提高催化剂的反应活性。但是在纳米四氧化三铁颗粒在合成与应用过程成均存在局限性。在合成的过程中，由于形成的四氧化三铁具有很高的表面能，往往会自发聚集，形成硬团聚体而导致其催化性能大大下降。在应用过程中，由于四氧化三铁亲水性不强，同时由于本身具有的磁性，使其在水溶液中形成软团聚体，同样导致催化活性下降。这些问题在很大程度上影响了纳米四氧化三铁催化剂的应用效果。

目前，简单且行之有效的方法是将四氧化三铁颗粒负载于载体的表面，形成复合催化材料，一方面可有效降低其团聚程度，另一方面载体吸附性将使得污染物在四氧化三铁周围富集，使其催化性能得到有效的提高。至今，多种载体，如硅藻土、活性炭纤维、沸石、膨润土等，已成功用于催化剂载体，均能在一定程度上提高四氧化三铁的催化性能。然而，这些载体均为微米尺寸，四氧化三铁纳米颗粒在其表面形成的依然为亚微米、微米级的细小团聚体，未能得到很好的分散，对于其催化性能的提高依然有限。目前，应用纳米尺寸的载体能使这一问题得到很好的改善。因为，它的尺寸效应及所能提供的巨大负载面积，极大地降低了四氧化三铁纳米颗粒的尺寸，并提高了分散性。此类应用在国内外技术中仅有少量的报道。国外期刊《Journal of Materials Chemistry》（Jiaqi Wan, Wei Cai, Jiangtao Feng, et al, In situ decoration of carbon nanotubes with nearly monodisperse magnetite nanoparticles in liquid polyols, Journal of Materials Chemistry, 17(2007) 1188-1192）报道了应用碳纳米管作为载体，使具有高分散度的四氧化三铁纳米颗粒负载在其表面，形成四氧化三铁/碳纳米管复合材料；国内期刊《环境科学学报》（邓景衡，文湘华，李佳喜．碳纳米管负载纳米四氧化三铁多相类芬顿降解亚甲基蓝[J]．2014，环境科学学报，34(6): 1436-1442）也报道了相类似的方法合成四氧化三铁/碳纳米管复合材料，形成了具有高分散度的四氧化三铁纳米颗粒，其催化性能要远高于未负载的四氧化三铁催化剂。可见，现有技术中的一维纳米尺寸载体仅有碳纳米管得到了应用。但在应用的过程中这一碳载体存在缺陷明显：如碳纳米管表面疏水性强，在水中分散性差；其次，碳质材料在实际使用过程中的物理、化学稳定性以及热稳定性较差。

因此，需要开发新的纳米级载体与纳米级四氧化三铁进行复合，制备新的复合催化剂，以克服现有技术的局限性和存在的上述各缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，通过应用氧化硅纳米纤维作为载体，有效提升纳米四氧化三铁催化剂的性能，完善其在应用过程中存在的缺陷。本发明提供一种操作简便、生产效率高、成本低、设备简单、药剂种类少与用量小的氧化硅纳米纤维复合四氧化三铁催化剂及其合成方法，使得高度分散（接近于单分散）的四氧化三铁纳米颗粒（颗粒的直径约为5-20 nm）生长于氧化硅硅纳米纤维的表面，获得亲水性强、在水溶液中分散性高、有机污染物吸附性能强以及类芬顿催化活性高的新型复合催化剂。