[發明專利]一種反應速度可控的鐵－二氧化鈦－碳三元微電解復合納米催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201510013881.5
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104607189A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發明（設計）人: 劉百山;劉宏;王全科
• 申請（專利權）人: 劉百山
• 主分類號: B01J23/745
• 分類號: B01J23/745;C02F1/72;C02F1/74
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王緒銀

技術領域

本發明涉及一種水處理劑及其方法。尤其涉及一種反應速度可控的鐵-二氧化鈦-碳三元微電解復合納米催化劑及制備方法與應用；屬于水處理催化劑及其制備領域。

背景技術

廢水中的有機物是重要的水污染源之一，因此，與有機物有關的化學需氧量(COD)也是環境水資源需要控制的指標。為降低水中的COD，達到日益提高的環保排放標準要求，人們發明了許多降解有機物的方法。其中，去除工業廢水中難降解的有機物即是一種有效而重要的方法。在這種方法中，最常用的方法是鐵-碳微電解法。

鐵-碳微電解法的原理是利用鐵-碳顆粒之間存在著電位差而形成了無數個細微原電池。由于鐵的電位比碳低，因此，可以作為為電池的陽極在酸性條件下被腐蝕，生成的二價鐵容易與水中的羥基作用生成羥基自由基，而在碳陰極上面逸出的電子，則會被吸附于催化劑表面的氧俘獲，再與水分子作用形成羥基自由基。羥基自由基具有非常強的氧化能力，幾乎可以無選擇地將水中的有機物分解成二氧化碳和水。因此，基于鐵-碳微電解法的原理制備的復合材料是一種非常有前景的氧化催化劑。應用時水中生成的二價鐵離子，可以加入少量的堿，通過絮凝反應形成鐵泥進行去除，同時，絮凝過程中也可以進一步除去水中帶微弱負電荷的顆粒。

傳統上微電解工藝所采用的微電解催化劑一般為鐵屑和木炭進行高溫反應形成的，使用前要加酸堿活化，使用的過程中很容易鈍化板結，又因為鐵與碳的接觸不緊密，在催化過程中，二者之間很容易形成隔離層使微電解不能繼續進行而失去作用，這導致了頻繁地更換微電解材料，不但工作量大成本高還影響廢水的處理效果和效率。另外，傳統微電解材料表面積太小也使得廢水處理需要很長的時間，增加了噸水投資成本，這都嚴重影響了微電解工藝的利用和推廣。另外，傳統的微電解氧化反應速度過快，也更加劇了鐵與碳的剝離，使催化劑后期效果迅速劣化。具體的，如中國專利“CN201310237012-一種利用有色金屬廢礦渣生產鐵炭微電解填料的方法”，是利用銅渣中的零價鐵、硫化亞鐵……等生產鐵炭微電解填料，其中銅礦渣在專利中起的作用是利用銅礦提煉之后礦渣中含的鐵的成分與褐煤一起燒結后形成金屬鐵，制備鐵-碳微電解催化劑，但其中并沒有任何物質進行氧化還原電位調控和氧化速速度調控的構想；另外，其沒有微結構的作用控制氧化過程中催化劑的坍塌。“CN201410444688-一種銅基鐵碳微電解催化劑”專利沒有指明氧化銅或者銅礦渣在鐵碳微電解催化劑中的作用，只是提到要解決水處理劑“普遍存在孔容及活性偏低、落粉度大、存在對水的二次污染使用壽命短、成本核算高等不足。”但在實施例中也沒有分析氧化銅與其它銅化合物的作用效果。縱觀以上所有的催化劑都沒有利用中間氧化還原電位對微電解催化劑進行氧化催化能力調控，利用納米帶的一維形貌實現燒結后多孔結構的技術思想。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明要解決的問題是提出一種反應速度可控的鐵-二氧化鈦-碳三元微電解復合納米催化劑及制備方法與應用。

本發明所述的反應速度可控的鐵-二氧化鈦-碳三元微電解復合納米催化劑，是由二氧化鈦納米帶、炭黑和納米鐵粉經干壓成型后再煅燒制成，其特征在于，所述復合納米催化劑形狀為圓柱狀多孔結構，圓柱直徑為2±0.2cm，高2±0.2cm，其由以二氧化鈦納米帶為載體，且其表面分散嵌合有碳顆粒和金屬鐵顆粒的帶狀物聚集構成，其中二氧化鈦的質量分數為20-80％；碳的質量分數為10-40％；鐵的質量分數為10-40％；所述復合納米催化劑結構中的帶狀物為納米帶，其長度為5-200μm，寬度為100-200nm，厚度為20-40nm；帶狀物表面分散嵌合的碳顆粒粒徑為30-50nm，金屬鐵顆粒粒徑為60-70nm。

進一步優選的方式是，所述復合納米催化劑由以二氧化鈦納米帶為載體，且其表面分散嵌合有碳顆粒和金屬鐵顆粒的帶狀物聚集構成，其中二氧化鈦的質量分數為40-60％；碳的質量分數為20-35％；鐵的質量分數為20-35％；所述復合納米催化劑結構中的帶狀物為納米帶，其長度為50-100μm，寬度為100-160nm，厚度為25-35nm；帶狀物表面分散嵌合的碳顆粒粒徑為30-50nm，金屬鐵顆粒粒徑為60-70nm。

本發明所述反應速度可控的鐵-二氧化鈦-碳三元微電解復合納米催化劑的制備方法，步驟是：

(1)取二氧化鈦納米帶，炭黑和納米鐵粉，按二氧化鈦:碳:鐵重量比為2～10:0.2～2:0.3～6的比例混合，再按照料:球:水＝1:2:1在球磨機中球磨混料，時間為2-20小時；

其中：上述二氧化鈦納米帶采用常規堿熱-離子交換方-熱處理方法制得；