[发明专利]一种多孔锰芬顿催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种多孔锰芬顿催化材料及其制备方法和应用，涉及材料与环境科学工程技术领域。本发明提供的多孔锰芬顿催化材料具有由簇状结构颗粒组成，所述簇状结构颗粒包括多孔结构氧化钙和位于所述多孔结构氧化钙表面的Mn‑Ca化合物二维纳米片。本发明提供的多孔锰芬顿催化材料中锰可催化空气中的氧气原位转化为过氧化氢并将其高效分解成羟基自由基，从而无需额外加入过氧化氢即可在宽pH值范围内实现对有机污染物的降解。而且，对重金属吸附效果优异。本发明提供的多孔锰芬顿催化材料具备降解有机污染物和吸附重金属的双重作用，弥补了目前的芬顿催化材料的同时降解有机污染物和吸附净化重金属的空白。

技术领域

本发明涉及材料与环境科学工程技术领域，具体涉及一种多孔锰芬顿催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

水体污染物成分复杂，大部分污染水体是含持久性有机污染物和各种重金属离子的混合废水。常规的水体污染的治理方法主要有物理法、化学法和生物法。其中，物理和生物法因难以降解有机物治理效果受限。化学法主要包括光催化法和芬顿催化，其中，芬顿催化法属自由基的高级氧化法，其氧化电位高达2.73eV，是目前处理有机污染废水实用化技术中最有效的方法。

传统芬顿催化剂在实际应用时存在两个关键瓶颈：(1)需外加过量H₂O₂作为反应源和氧化助剂；(2)Fe²⁺需在pH为2～3的强酸性环境才能催化分解H₂O₂生成羟基自由基。然而，外加大量H₂O₂不但增加试剂成本，而且由于H₂O₂本身具有强腐蚀性，甚至连水泥池都被腐蚀，导致设备成本极大增加；此外，反应体系pH值为2～3，Fe³⁺不能顺利地被还原为Fe²⁺，催化反应受阻，持续作用效果差，而且如此低的工作pH范围意味着实际处理废水时，首先要加入大量的酸液将废水调至酸性，芬顿催化反应后还需添加碱液回调pH，导致污染水体的处理工艺复杂、酸碱试剂用量大、处理成本高、腐蚀设备，还会产生大量的氢氧化铁淤泥，氢氧化铁淤泥的产生会导致芬顿催化剂失活，同时也极大增加了废水处理成本和难度。因此，如何解决芬顿催化面临的上述两个瓶颈问题，设计并开发具有宽pH响应、无需外加H₂O₂的新型芬顿催化剂成为国际国内研究的热点和焦点。

国内外许多学者为此开展了大量研究，主要研究思路包括调控催化剂组分，设计新型类芬顿催化剂，以及引入紫外光、电、微波、超声等辅助手段强化羟基自由基的产生，提高污染物降解率，这些研究取得了一定的进展，一定程度提高了有机污染物降解效率，但由于H₂O₂分解为羟基自由基的活化能220kJ/mol，常规的催化剂分解效率仍较低，各种辅助手段的采用增加了设备成本投资、工艺复杂程度和能耗，因此制约芬顿催化大规模应用的瓶颈问题仍然没有很好地解决。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多孔锰芬顿催化材料及其制备方法和应用，本发明提供的多孔锰芬顿催化材料能够在宽pH值、无外加H₂O₂的条件下实现有机污染物和重金属的同步高效去除。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种多孔锰芬顿催化材料，具有由簇状结构颗粒组成，所述簇状结构颗粒包括多孔结构氧化钙和位于所述多孔结构氧化钙表面的Mn-Ca化合物二维纳米片。

优选的，所述簇状结构颗粒的粒度为5～10μm。

优选的，所述二维纳米片的厚度为3～4nm。

优选的，所述Mn-Ca化合物中Mn的原子百分含量为1～10％。

本发明提供了上述技术方案所述多孔锰芬顿催化材料的制备方法，包括以下步骤：