[发明专利]一种纳米纤维球状硅基多相芬顿催化剂及合成方法与应用

说明书

本发明公开了一种纳米纤维球状硅基多相芬顿催化剂及其合成方法和用途，其特征在于包括如下步骤：将TEOS加入由正戊醇和环己烷组成的混合溶液中形成溶液A；将尿素和CPBH溶入去离子水中形成溶液B；将溶液A与溶液B混合，逐滴滴入Cu(NO₃)₂·3H₂O溶液，水浴搅拌形成溶液C，再置于120～140℃烘箱中进行水热反应5～7小时；将所得的固体产物过滤，用去离子水和丙酮交替洗涤，烘干；再置于马弗炉中焙烧，冷却后获得本发明的多相芬顿催化剂。本发明的纳米纤维球状硅基多相芬顿催化剂在反应过程不需要将体系的酸碱度调至2～3这种苛刻条件，在中性室温条件下对于难生物降解的有机污染物的降解就具有很好的去除效果。

技术领域

本发明属于水处理领域，具体涉及一种纳米纤维球状硅基多相芬顿催化剂及其合成方法与应用。

背景技术

近年来，大量难生物降解有机污染物(比如农药、医药以及内分泌干扰素等)被不断释放到水体中，已经严重威胁到生态环境和人类生命健康。然而传统的物理化学和生物水处理技术往往无法有效去除这些持久性顽固污染物。

芬顿反应属于一种典型的高级氧化过程，由于其反应中产生大量强氧化性的羟基自由基(·OH)成为去除此类污染物潜在的选择技术。然而经典的均相芬顿反应由于其反应条件苛刻，pH值响应范围窄(2～3)，产生大量铁泥，以及无法实现活性组分与水分离等缺陷的存在，导致其无法更加广泛地被应用。

多相催化剂的发展一定程度上克服了均相芬顿反应的一些问题，比如可固液分离，pH值响应范围拓宽了，不产生铁泥等等。但是多相芬顿催化剂仍然存在活性低、稳定性差以及过氧化氢(H₂O₂)利用率低等问题。其活性低的一个主要的原因是催化剂的活性组分没有充分与过氧化氢和污染物接触；稳定性差的一个主要原因是负载型催化剂中的活性组分与载体没有发生键合，导致活性组分在反应过程中被分离和释放到溶液中。

一个常用的解决方式是将活性组分原位掺杂到载体中，使之键合，然而这样的方式虽然提高了催化剂的稳定性，也常常使得活性组分被包裹在催化剂内部结构中，无法与溶液中的自由分子接触，导致活性降低。因此，对于多相芬顿催化剂而言，活性和稳定性往往是两个无法同时满足的矛盾点。如何协调两者之间的关系，同时解决这两个关键问题是科研学者们一直以来的研究热点。

如果能将活性组分原位掺杂到载体中进行原子键合，并使催化剂活性组分极大地暴露在催化剂的表面，且让污染物和H₂O₂便利地接触到这些暴露出来的活性位点，则可以同时解决活性和稳定性问题。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种纳米纤维球状硅基多相芬顿催化剂的合成方法，该方法用溴代十六烷基吡啶水合物(CPBH)作为模板剂，正硅酸四乙酯(TEOS)和三水合硝酸铜(Cu(NO₃)₂·3H₂O)分别作为硅源和铜源，通过原位掺杂的水热过程合成目标催化剂。

本发明的另一目的在于提供由上述方法制得的纳米纤维球状硅基多相芬顿催化剂，该催化剂为多价态铜物种原位掺杂纳米纤维球状二氧化硅基底(F-Cu-SiO₂ NSs)，上述的合成方法带来Cu的掺杂、Cu-O-Si键的产生以及纳米纤维球状颗粒的形成；该催化剂具有大的比表面积，催化剂活性组分被极大地暴露在催化剂表面，且污染物和H₂O₂能够充分与活性位点接触。

本发明的再一目的在于提供上述的纳米纤维球状硅基多相芬顿催化剂在对内分泌干扰素双酚A(BPA)、医药类物质苯海拉明(DP)以及农药类物质2-氯酚(2-CP)等有机污染物的催化降解中的应用，这种催化降解活性和效率明显高于常规的多相芬顿催化剂。

本发明的目的通过下述技术方案实现：