[发明专利]一种污泥热解制备光Fenton催化剂的方法及催化剂和应用

说明书

本发明提供一种新型高效污泥热解制备光Fenton催化剂的方法及其应用。本发明用城市污水处理厂活性污泥作为原料，在高温下进行热解制备出污泥活性炭，用H₂SO₄进行处理得到表面改性的污泥炭，以Fe₂O₃、MnO₂、Ag₂O、In₂O₃、Bi₂O₃、SrO中的一种或两种以上作为活性组分负载到污泥活性炭载体，经过浸渍、混合、热解后得到一种新型高效光Fenton催化剂。本发明制备的光Fenton催化剂在光催化氧化中具有活性高、活性组分浸渍量少、制备简单、技术成熟、稳定性好及成本低等优点。其方法对有机废水中的TOC去除率达到95％以上。本发明所得的光Fenton催化剂具备催化性能高、结构稳定，有利于此污泥热解制备的催化剂在光催化氧化工业的推广。

技术领域

本发明涉及一种新型高效污泥热解制备光Fenton催化剂的方法及其应用，适用于光催化氧化处理难降解工业有机废水，属于水处理技术和环境功能材料领域。

技术背景

社会经济的飞速发展促使工业化和城市化的水平不断提高，相应的石油化工、塑料、合成纤维、焦炭等工业得到迅猛发展，各种有机废水排放量逐年增大。有机废水具有致癌、致畸、致突变的潜在毒性，影响水生生物的生长和繁殖，污染饮用水水源，已经严重威胁了人类的生存安全和健康发展，对经济和社会的可持续发展构成重要制约，因此，处理工业有机废水迫在眉睫。工业上处理有机废水的方法很多，常用的方法有生化发、氧化法、萃取法、吸附法、液膜分离法等，随着环境标准的日益提高，传统的污水处理方法已经越来越难达到环保的要求和国家以及社会的期望。发展成本低且效率高的水处理技术，有效降解废水中的色度、COD、特别是难降解物质等，提高排放废水的水质，使其达到更高的要求，这对环境发展以及社会经济的发展都显得尤为重要。

Fenton反应作为近年来作为国际上广泛采用的一种新型高效氧化技术，其特点在于Fenton反应能够产生强氧化的·OH活性组分，可以将有毒或难降解的有机污染物矿化成为对环境无污染的CO₂和H₂O，用于废水的深度净化，是一种环境友好的绿色催化新工艺。随着研究的深入，高效氧化技术在处理高浓度、难降解、毒性大的废水方面有很大的进展，发现紫外光的照射可以促使Fenton反应产生更多的自由基，因此光Fenton法可以用于难降解污染物的去除。Fenton反应通常在均相下进行，尽管催化效率高且反应容易控制，但对反应的pH值要求苛刻(通常只在2.5～3.5的范围内才有高效的催化效果)，反应体系易产生含铁淤泥，造成二次污染。这些缺点很大程度上限制了Fenton反应在降解水中的有机污染物的应用。因此，人们日益转向对非均相Fenton反应的研究。非均相Fenton反应催化剂主要集中在两个方面：(1)寻找或制备合适的催化剂载体，使金属的活性成分成分能够均匀牢固的负载于载体上，以提高催化剂的性能及其固-液分离能力；(2)选取和优化催化活性组分，通过优化催化制备条件对催化剂活性组分中的金属(晶型、晶体尺寸)进行调控，以制备出催化效率更高、适应性更佳、pH使用范围更广的高效稳定复合型催化剂。综上所述，非均相光Fenton反应体系，不仅有利于提高有机工业废水中有毒物质的去除率，而且具有相对适宜反应进行的宽pH窗口，因此本研究采用非均相光Fenton体系作为反应的条件。

目前光催化反应器只停留在小型水处理工艺以及试验阶段，缺乏大型反应器的设计，难以满足现今工业化高度发展的需求。为了克服这些技术的缺陷，可将高活性、不易流失的金属Fe、Mn、Ag、In、Bi、Sr等金属负载在催化剂表面，利用金属离子捕获导带中电子，以减少光生电子和空穴的复合，提高催化活性。通过催化剂的掺杂改性，扩展其对光能的利用范围，使相应波长移至可见光区，提高光能的利用率，来降低工程成本。因此，寻找合适的催化剂作为金属的活性组分载体来处理工业废水有很好的前景。