[发明专利]一种磁性多组分铁碳复合类芬顿催化剂的制备方法、产品及应用

说明书

本发明提供一种磁性多组分铁碳复合类芬顿催化剂的制备方法、产品及应用。上述制备方法包括以下步骤：(1)将碳源加入至硫酸亚铁水溶液中，搅拌后干燥，得前驱体；(2)将前驱体在氮气保护下煅烧，得中间体粉末；(3)将中间体粉末酸洗活化，得所述磁性多组分铁碳复合催化剂。本发明的磁性多组分铁碳复合类芬顿催化剂的制备方法，操作简单，易于实现工业化。采用该制备方法制得的磁性多组分铁碳复合类芬顿催化剂，催化活性高，将其应用于催化氧化降解有机污染物过程中，能够有效提高污染物降解速率且性能稳定，可通过外加磁场快速分离，操作简单，成本低，pH适用范围广，具有较高的实用价值。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种磁性多组分铁碳复合类芬顿催化剂的制备方法、产品及应用。

背景技术

现代工业快速发展的同时也向环境中排放了大量废水，特别是其中一些难降解有机污染物，给传统污水处理系统带来了极大的挑战。芬顿氧化技术能通过产生强氧化性的羟基自由基降解多种有机物，被认为是处理难降解有机废水的最有力的技术之一。芬顿技术具有适用范围广、反应条件温和的特点，为羟基自由基提供了一种低廉高效的来源；另一方面，芬顿氧化体系利用环境友好型的氧化剂——过氧化氢，其最终反应的产物是水和二氧化碳，也符合“绿色化学”的理念。但是，该反应需要在严格的酸性条件下进行，并且过程中会产生大量的含铁污泥，从而可能带来二次污染问题。

开发中性条件下具有高催化活性的固体类芬顿催化剂是解决传统芬顿技术不足的主要途径。石墨烯类材料具有丰富的比表面积，能通过分散活性组分、提高传质速率以及强化电子传递的作用提高芬顿反应速率。同时，也能与芳香环发生π-π相互作用，能够实现污染物在固相表面的富集，加快污染物的降解。但是当前石墨烯价格较高，直接使用该类材料处理废水不具现实意义。根据报道，一些天然的多糖材料如壳聚糖等在高温下可产生类似的石墨烯结构。其中，壳聚糖来源广泛、价格低廉，同时分子结构中含有大量的-NH₂和-OH基，可以通过配位作用有效结合金属离子。因此，通过此类材料为前驱体制备石墨化碳负载的类芬顿催化剂，可有望降低制备成本。

另一方面，分离回用性能也是限制粉末催化剂使用的重要因素。通过构建磁响应特性可以使材料既能保持较小的尺寸，保证传质速率和催化活性，同时也有助于材料的快速分离回收，从而有效降低使用成本。现有报道中常用浸渍煅烧法、包覆法、原位沉淀法等将磁性粒子与功能材料复合在一起。通过合适方法，构建磁性类芬顿催化剂，可进一步简化处理流程，促进该技术在处理难降解有机废水中的应用。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，基于上述分析，本发明提供一种磁性多组分铁碳复合类芬顿催化剂的制备方法，该制备方法操作简单，易于实现工业化。

本发明还提供由上述制备方法制得的磁性多组分铁碳复合类芬顿催化剂，该催化剂在中性条件下有较高的类芬顿催化活性，且能通过磁场实现快速分离。

本发明还提供一种上述磁性多组分铁碳复合类芬顿催化剂在催化氧化降解有机污染物中的应用。

一种磁性多组分铁碳复合类芬顿催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳源加入至硫酸亚铁水溶液中，搅拌后干燥，得前驱体；

(2)将上述前驱体煅烧后酸洗活化，得所述磁性多组分铁碳复合催化剂。

本发明的制备方法中，碳源可选用具备丰富氨基、羟基的长链多糖，在经过亚铁络合、硫酸根交联后，形成三维网状结构，在隔绝氧气条件下煅烧，逐渐转为为石墨碳负载的陨硫铁、磁黄铁矿等组分，去除表面惰性组分后，形成同时具备高反应活性和磁性的类芬顿催化剂。前驱体中碳源的络合会对Fe原子形成“限域效应”，通过减少煅烧时Fe原子之间的接触，促进更多纳米颗粒的形成，从而提高铁的分散性和催化活性，并影响煅烧过程中Fe原子周围的氧化还原氛围，最终改变Fe的化学态；而碳源炭化后形成的类石墨烯结构能够加速电子传递，并通过强化吸附，实现污染物在催化剂表面的降解，从而使反应能抵抗体系中其他组分的干扰。