[发明专利]一种核壳分级型铁/铜双金属芬顿催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提出一种核壳分级型铁/铜双金属芬顿催化剂及其制备方法和应用，属于芬顿催化剂降解处理废水有机污染物的技术领域。通过将沸石加入到三价铁盐溶液中搅拌反应之后用去离子水离心洗涤，冷冻干燥得孤立铁催化剂，然后将得到的孤立铁催化剂加入到二价铜盐溶液中搅拌反应一定时间后，用去离子水离心洗涤，冷冻干燥得核壳分级型铁/铜双金属芬顿催化剂；本发明制备的催化剂具有较宽的pH使用范围，可用于高pH环境污水中有机污染物的芬顿氧化降解，并且具有优异的催化性能和重复使用性能，为双金属型芬顿催化剂应用与污水降解处理提供了有效的方法。

技术领域

本发明属于芬顿催化剂降解处理废水有机污染物的技术领域，具体涉及一种核壳分级型铁/铜双金属芬顿催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，水资源的保护成为影响人们生活质量及保证环境可持续发展的严峻问题之一。在各种污水处理方法中，Fenton法因其具有快速的降解速率，低毒性以及操作简单，对后续处理无毒害作用且对环境友好等优势，在废水处理尤其是生物难降解污水处理过程中受到了广泛关注。

传统的Fenton反应机理导致了其反应条件较为苛刻，而且对于反应的酸度要求很高。通常情况下，只有pH在2～4内才能达到较好的反应效果。但实际中大多所需处理的废水并非都是酸性的，所以用Fenton去处理废水时，首先要将废水的pH值调节到适宜的范围，一般pH会调节为3，在反应结束后，还需要将处理后的废水再调回至中性才能排放，两次调节酸度的要求致使工艺难度大大增加。且在Fenton反应中，H₂O₂在Fe²⁺的催化下生成羟基自由基在生成的同时Fe²⁺被氧化成Fe³⁺，该反应速度很快。但是，Fe³⁺与H₂O₂反应生成而Fe³⁺被还原成Fe²⁺的过程要慢得多，的氧化能力又低于因此，想要提高反应效率，就要保证在反应过程中有足够的Fe²⁺，但是Fe²⁺的增多就会增加副反应的发生几率和溶液中的铁离子含量，最后形成大量铁泥使后处理的难度增加。因此，在各项的科学研究中，科研人员正在尝试开发非均相Fenton催化技术来替代传统的Fenton技术。在开发非均相Fenton催化剂的过程中，经研究证实，改变Fe金属元素的配位环境，不仅可以提高催化剂的催化活性，而且还可以降低催化活性物种的泄露量以及提高反应物的利用效率。专利CN105618129A采用冷冻干燥法在4A型沸石支撑体上成功得到了孤立铁物种[FeO₄]，该铁物种显示出了极高的催化效率和双氧水利用效率。但是铁催化剂的有效使用的pH范围仍然较低，为2-3左右。为了拓宽异相Fe芬顿催化剂的pH使用范围，科研人员将Cu引入到催化剂中得到Fe/Cu双金属催化剂，可以有效的使pH使用范围增大，甚至可在中性条件下使用。目前最常见的Fe/Cu双金属催化剂是通过支撑体在Fe和Cu溶液中浸渍，然后再煅烧得到铜铁氧体；或者用零价铁和Cu²⁺进行反应Fe⁰+Cu²⁺→Fe²⁺+Fe/Cu直接得到铁铜催化剂。前者得到的铜铁氧体具有较高的催化效率以及较宽的pH使用范围，但是Fe离子容易泄露，催化剂长期稳定性较差；后者得到的Fe/Cu催化剂虽然增加了Fe的稳定性，但是由于致密层Cu覆盖在Fe表面使得催化剂整体催化效率降低。

综上所述，如何进一步提高Fe/Cu双金属催化剂的稳定性，降低铁离子的泄漏量，提高催化效率以及双氧水利用率，并使其具有较宽的pH使用范围一直是本领域技术人员还未解决的技术难题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明以沸石为支撑体，提供了一种核壳分级型铁/铜双金属芬顿催化剂及其方法和应用，该催化剂具有稳定性好、铁离子泄漏量低、催化效率高、双氧水利用效率高、pH使用范围宽、可重复使用等特点，并且制备方法操作简单。