[发明专利]一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂及其制备方法和应用，包括以下步骤：首先将原始纤维材料溶解于酸溶液中并加热改性，将纤维材料表面的羟基改性为与过渡金属更具亲和力的羧基基团，得到羧化纤维材料；再将羧化纤维材料溶解于三价铁盐溶液中，在常温下搅拌，洗涤离心后烘干，即得到载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂。该催化剂以Fe³⁺为催化活性组分，羧化纤维材料为催化剂载体，抑制了金属流失，极易回收且制备工艺简单，将其应用于非均相类芬顿体系降解有机污染物时效果明显，是一种具有良好应用前景的催化剂。

技术领域

本发明涉及废水处理领域，特别是涉及一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

染料广泛应用于纺织和印刷等行业，抗生素广泛应用于医疗、水产养殖和农牧养殖等行业，大量不符合排放标准的染料和抗生素废水排放到自然水体中，对生态环境和人体健康存在严重的潜在风险。因此，有效去除水体中的染料和抗生素至关重要。目前，最有效的有机废水处理方法是高级氧化法，相比于传统物理化学法和生物处理技术，高级氧化法具有矿化效率高、氧化效率好且无二次污染等优点。传统芬顿(Fenton)氧化法是由H₂O₂和Fe²⁺在pH为2-3.5的条件下发生反应，生成羟基自由基(HO·)快速将水中有机污染物降解为低毒或者无毒的小分子物质或者彻底矿化为CO₂和H₂O。然而，传统Fenton法具有pH适用范围狭窄(2-3.5)、H₂O₂不稳定，铁资源难以回收且易产生铁污泥造成二次污染等缺点，这些缺点严重限制了Fenton工艺的应用。为了克服以上问题，研究者们致力于发展非均相类芬顿催化剂，直接使用金属氧化物或者使用载体负载催化活性组分代替Fe²⁺作为催化剂。

相比于传统均相芬顿体系中H₂O₂与溶液中金属离子发生一系列链反应，非均相类芬顿催化体系是将游离的金属离子固相化，在催化剂表面进行芬顿反应产生HO·高效氧化分解难降解有机污染物(公式1)。然而，金属氧化物催化剂存在以下不足：(1)团聚问题。多个纳米金属颗粒团聚形成较大颗粒，降低催化剂比表面积，从而降低催化效率；(2)金属流失。大部分金属矿物(如黄铁矿，菱铁矿)通过不断释放Fe³⁺或Fe²⁺催化降解有机污染物，金属离子的浸出不仅导致催化剂表面活性组分减少，同时给水体造成二次污染；(3)回收困难。纳米金属颗粒通常具有较强的亲水性且颗粒较小，不易回收利用。

Fe(Ⅱ) + H₂O₂ → ≡Fe(Ⅲ) + HO· + OH^- (1)

相比之下，负载型催化剂可以避免以上不足，寻找一种有效的催化剂载体是构建负载型催化剂的重要任务。纤维素是自然界中最丰富的天然聚合物之一，具有良好的生物相容性、可再生性、环境友好性、来源广且成本低等优点。纤维素表面含有亲水的羟基官能团，可以被氧化形成羧基，羧化后纤维素中的羧基活性基团(-COO^-)更易与金属离子发生强配位作用。因此，纤维素作为催化剂载体在污水处理中具有良好应用前景。

发明内容

为了克服均相芬顿体系和非均相金属氧化物作为催化剂的不足，本发明的目的在于提供一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂及其制备方法和应用。

具体采用的技术方案如下：

一种载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂，载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂以Fe³⁺为催化活性成分，以羧化纤维材料为载体，Fe³⁺以离子形式负载于羧化纤维材料表面。

本发明还提供了该载铁型羧化纤维材料类芬顿催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)纤维材料改性处理：