[发明专利]一种磁性纳米复合催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种磁性纳米复合催化剂，特别是一种钴铁氧化物/石墨烯磁性纳米复合催化剂的制备方法及其在降解有机废水中的应用。所述催化剂作用于过硫酸氢盐产生强氧化性的硫酸根自由基，从而将废水中的有机物高效去除。该催化剂作为固相催化剂因其具有较大的比表面积，较高的催化活性和较低的离子溶出率，因而能持续高效地活化过硫酸氢盐产生硫酸根自由基，有效地减少了钴离子泄露。本发明的催化剂制备方法简单，催化性能高，不会造成二次污染，是一种环境友好型材料，因其具有磁性，反应后能被回收再次利用，降低了有机废水的处理成本，为难降解有机废水的处理提供了广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米复合材料，特别是涉及一种钴铁氧化物/石墨烯磁性纳米复合催化剂的制备方法及其在处理有机废水中的应用。

背景技术

水污染已经成为制约社会经济发展的重要因素之一。尤其是毒性强、浓度高、难生物降解的有机废水给传统污水生物处理工艺带来了前所未有的挑战。近些年来，基于强氧化性自由基(如羟基自由基)的高级氧化水处理技术备受关注。由于自由基具有较强的氧化性，废水中的有机物通常能被分解为无毒或低毒的小分子有机物，甚至完全矿化转化为水和二氧化碳。其中，芬顿法以及衍生出的类芬顿法如光芬顿法、电芬顿法、超声芬顿法、超声/光联合芬顿法由于能够有效产生强氧化性羟基自由基，得到了广泛应用。然而，化学试剂用量大、成本高、反应pH(2～4)低、产生大量化学污泥等明显制约了芬顿法的进一步发展。

相比于羟基自由基，基于硫酸根自由基的高级氧化技术是一种很有前景的水处理技术，其优点在于：(1)硫酸根自由基具有更高的氧化电势(2.5～3.1V)；(2)硫酸根自由基具有更强的选择性；(3)基于硫酸根自由基的反应适用范围更广(pH 2～9)；(4)硫酸根自由基更稳定、半衰期更长(30～40μs)。

活化过硫酸盐/过硫酸氢盐产生硫酸根自由基的方法包括光、微波辐射、热、紫外等物理方法和过渡金属如Co²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Fe²⁺等化学活化法。相比于物理活化法，过渡金属离子活化过硫酸盐/过硫酸氢盐的反应可在常温下快速进行，无需外加能量，显示出极大的优越性，更具发展潜力。而在所有过渡金属离子中，Co²⁺已被证实能高效地活化过硫酸盐/过硫酸氢盐产生硫酸根自由基，但Co²⁺具有生物毒性，残留在废水中会造成二次污染。石墨烯是由单原子层碳组成，比表面积高、导电性好、电化学和机械性能优异，是功能材料领域的研究热点。研究表明石墨烯能够活化过硫酸盐/过硫酸氢盐产生硫酸根自由基，在高级氧化法处理有机废水方面具有广阔的应用前景。然而，石墨烯纳米材料难以有效从废水中分离，限制了其在污水治理领域的应用。目前并没有将石墨烯与钴铁氧化物进行有机结合后用于催化治理有机废水的报道。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种磁性纳米复合催化剂的制备方法，以及制备所得磁性纳米复合催化剂在催化治理有机废水中的应用。

技术方案：本发明所述的一种磁性纳米复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)取氧化石墨烯加入无水乙醇中，混合均匀，得到第一混合溶液；

(2)取含有Fe³⁺离子的金属盐和含有Co²⁺离子的金属盐溶于无水乙醇中，搅拌得第二混合溶液；

(3)将步骤(1)所得第一混合溶液和步骤(2)所得第二混合溶液混合，搅拌并调节pH为8～10，继续搅拌得到深绿色的反应前驱体溶液；

(4)将步骤(3)所得反应前驱体溶液转移至反应釜内，在150-200℃下反应15-24h，反应后洗涤、干燥，得到钴铁氧化物/石墨烯磁性纳米复合催化剂。

步骤(1)中，混合条件是在功率为20～100w下超声处理0.5～1.5h。优选的为在功率为50w下超声处理1h。