[发明专利]一种四氧化三铁与二氧化锰复合类芬顿催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种四氧化三铁与二氧化锰复合类芬顿催化剂。所述催化剂中包括硅藻土，硅藻土与四氧化三铁的质量比为1:0.3~1:0.6，硅藻土与二氧化锰的质量比为1:1~1:2。其制备方法为：以天然的硅藻土为载体，先后通过在有机溶剂介质中的热分解反应与水热反应，依次将具有高度分散的四氧化三铁纳米颗粒与二氧化锰纳米片负载于天然硅藻土的表面，形成天然的硅藻土负载纳米四氧化三铁与二氧化锰复合类芬顿催化剂。本发明的催化剂中二氧化锰、四氧化三铁与硅藻土相互紧密结合，形成特殊的三层结构，该催化剂具有在水中分散性好、吸附性强、催化活性高、易于回收循环利用等突出优点。本发明制备工艺流程简单、操作简便、对设备要求低，易于实现工业化生产。

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，具体涉及一种利用天然硅藻土负载纳米四氧化三铁与二氧化锰新型复合类芬顿催化剂及其制备方法。

背景技术

芬顿技术（Fenton）是工业生产中降解有机废水的重要方法，其利用亚铁离子（Fe²⁺）催化剂与双氧水（H₂O₂）作用，产生具有强氧化性的羟基自由基（·OH）将有机污染物完全矿化降解，具有设备投资少、效率高、操作工艺简单的显著特点。然而，芬顿技术需要在较低的pH环境中进行（pH=3~4），同时还存在容易产生大量赤泥等副产物、催化剂无法循环利用、双氧水存储与运输成本高等问题，限制了其广泛的应用。

相较于传统的芬顿催化方法，基于硫酸根自由基（·SO₄^-）的非均相芬顿技术正受到越来越广泛的关注和重视，具有工作pH范围宽、无副产物、效率高以及药剂运输存储方便等诸多优点，在有效克服传统芬顿催化缺点的同时，还具有更强的催化性能，有着广阔的应用前景。

在该类非均相催化技术中，是以金属氧化物（氧化铈、氧化钴、二氧化锰、氧化铜等）为催化剂，催化过硫酸盐或过一硫酸氢盐氧化剂，产生具有强氧化性的硫酸根自由基（·SO₄^-）将污染物完全降解。在众多的催化剂当中，二氧化锰（MnO₂）与四氧化三铁（Fe₃O₄）因其具有来源广泛、无毒与价格低廉的显著优势，已成为在实际废水处理领域具有真正应用价值的催化剂。对于二氧化锰而言，尽管其具有更高的催化活性，但在实际的应用过程中，需要采用成本高且效率低的过滤或离心方法进行回收。而对于四氧化三铁（Fe₃O₄），其催化活性则要低于二氧化锰，但它固有的磁性使得其能够在实际的应用过程中通过效率高、成本低的磁选方法进行回收再利用。此外，对于这两种催化剂还都存在易聚集与在水中分散性差的问题，尤其四氧化三铁纳米颗粒极易形成软团聚体甚至硬团聚体，难以在水中分散，成为其广泛应用的另一瓶颈。

针对现有技术的不足，需要研发新的复合材料，最大限度的发挥出不同组分的性能，实现催化性能的最大化，以克服现有技术的局限性和存在的缺陷，并进一步提升性能，获得更大的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，采用价格低廉、来源广泛、环境友好、孔道丰富、吸附性能优异的天然硅藻土作为载体，采用操作简单、效率高、成本低的方法，依次将具有高度分散结构的四氧化三铁纳米颗粒与二氧化锰纳米片催化剂负载于其表面，形成具有吸附性强、催化活性高、且易于回收再利用的新型复合类芬顿催化剂，获得更大的应用价值。

一种四氧化三铁与二氧化锰的复合类芬顿催化剂，所述催化剂中包括硅藻土，硅藻土与四氧化三铁的质量比为1:0.3~1:0.6，硅藻土与二氧化锰的质量比为1:1~1:2。四氧化三铁、二氧化锰与硅藻土形成复合材料，利用各自的优势，有效完善了团聚与分散性的问题，实现了催化性能的强化。该复合材料具有磁性，可利用磁选方法回收，同时由于二氧化锰与四氧化三铁的结合能够在催化反应过程中产生协同催化作用，使其催化活性要远高于单一的二氧化锰或四氧化三铁。