一种Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂的制备方法及应用与流程

本发明属于高级氧化非均相催化剂研发技术领域，具体一种Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂的制备方法及应用。

背景技术：

近年来，为了实现工业资源的优化，促进国民经济的快速发展，我国建设了一批又一批的经济开发区、工业园区等。随之产生的是大量有毒、有害的工业废水，而国内工业园区的废水大多采用集中处理的方式，各企业排放的废水水质差异较大，导致工业园区混合废水的处理难度加大，采用传统的市政污水处理工艺常常无法使出水达标排放。因此，在环境负荷已达顶点的时期，研究开发一种高效经济的工业废水处理技术，提高出水水质，实现废水资源化是十分必要的。

高级氧化处理技术在高难度有机废水处理中应用广泛，且效果显著。但传统的高级氧化技术存在以下问题，催化氧化法耗能较高，催化剂消耗量大，且回收困难、重复利用率低，处理效果受水体pH值的影响，处理费用普遍偏高，需要进一步发展创新。

针对上述问题，本发明利用Ni(NO₃)₃、FeSO₄、FeCl₃以及活性炭粉末制备了一种Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂。将此催化剂与过硫酸钠构成非均相类芬顿氧化体系，可持续释放强氧化性自由基SO₄^－·与OH·，催化氧化有机废水，反应过程中，不必调剂原水pH值，催化剂回收方便，重复使用多次后催化效率仍可达到70％以上。制作成本低廉，反应易于控制，在废水高级氧化处理方面具有较好的应用前景。

技术实现要素：

本发明针对现有类芬顿催化剂回收困难、重复利用率低、离子溶出率高、反应pH要求严格等，利用Ni(NO₃)₃、FeSO₄、FeCl₃以及活性炭粉末制备了一种Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂。催化剂制备过程中Fe²⁺与Fe³⁺被活性炭吸附，加入氨水化学共沉后生成磁性Fe₃O₄，Fe₃O₄既起吸附作用也起催化作用，Ni³⁺的掺杂可增强催化剂的磁性，提高催化剂的催化性能。在氧化降解污染物的体系中，活性炭与Ni³⁺掺杂的Fe₃O₄起到协同催化作用，大大提高了催化氧化效率。

本发明提供了一种高效、快速、经济、使用范围广的类芬顿催化剂，应用于催化氧化降解有机废水。

一种Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)按比例称取FeCl₃、FeSO₄和Ni(NO₃)₃，然后加入去离子水中，于40～80℃水浴中磁力搅拌，直到全部溶解，得到混合溶液A；

(2)在步骤(1)所得的混合溶液A中添加活性炭粉末，于40～80℃水浴中磁力搅拌反应0.5～2h，得到混合液B；

(3)步骤(2)的反应结束后，用质量百分含量为25～28％的NH₃·H₂O调节混合液B的pH为8～11，继续水浴续搅拌反应0.5～2h；

(4)步骤(3)的反应结束后，将反应物进行真空抽滤，于80～120℃干燥箱中烘干，再于300～800℃马沸炉中煅烧2～10h，得到Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂。

步骤(1)中，所述FeCl₃与FeSO₄的物质的量之比为(1～3)：1；FeCl₃与FeSO₄的物质的量之和与Ni(NO₃)₃的物质的量之比为(1～5)：1。

步骤(2)中，所述活性炭粉末的质量与步骤(1)理论生成的Fe₃O₄质量比为(1～5)：1，所述活性炭粉末的目数为200～300。

步骤(1)和步骤(2)中，所述磁力搅拌的速度均为100～500r/min。

将本发明制得的Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂用于催化过硫酸钠降解有机废水，具体用法为：将Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂、过硫酸钠投入到有机废水中。

所述Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂投加量与有机废水中COD的质量比0.2～1：1；过硫酸钠投加量与Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂的质量比为5～3：2。

所述过硫酸钠投加量与Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂的质量比为5：2。

本发明的有益效果为：

(1)本发明所述催化剂制作流程简便，成品催化剂成固态形式，带有较强的磁性，可在磁场中快速分离，降解完成后，也可利用磁性进行回收改催化剂。

(2)本发明所制备的Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂用于催化过硫酸钠降解有机废水事，对原水pH值无特殊要求，酸性、中性、碱性条件下均可，且中性、碱性条件下效果更好。

附图说明：

图1为催化剂在磁场中分离，a-催化剂分散在溶液中，b-磁场存在下催化剂被快速分离。

图2为催化剂重复使用对CODcr去除率的影响。

具体实施例

根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1：

分别称取0.675g、0.465g、0.363g的FeCl₃、FeSO₄、Ni(NO₃)₃，于100mL烧杯中，加入50mL去离子水，磁力搅拌，直到溶解，搅拌速度200r/min；再称，300目2.59g活性炭粉末，于60℃水浴中磁力搅拌反应1h；再用含量为28％的NH₃·H₂O调节pH为9，继续水浴续搅拌反应1h；结束后，将烧杯中反应物进行真空抽滤，于100℃干燥箱中烘干；再于300℃马沸炉中煅烧4h，催化剂制备完成。

一种采用上述制备方法所制备的产品对600mg/L的甲基橙模拟染料废水进行处理。

处理条件：模拟废水100mL、催化剂0.3g、过硫酸钠1g、模拟废水pH值7、反应温度20℃、反应时间2h。该水样处理前后COD_cr的变化如表1。

表1处理前后水质

其他物料配比制作的催化剂及应用效果见表2。

处理条件：600mg/L的甲基橙模拟染料废水100mL、催化剂0.3g、过硫酸钠1g、模拟废水pH值7、反应温度20℃、反应时间2h。

表2催化剂制作配比及其实施例

根据表2可得出Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂的最佳制作配方，为实施例5。以该配方制作的催化剂为研究目标，改变催化氧化反应中条件得出该工艺最佳运行参数。具体见表3。

表3不同氧化反应条件进出水质

从表3中可知，一种Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂无论是在酸性、中性、碱性环境下都有较高的氧化性能。

催化剂回收：图1为催化剂在磁场存在的条件下，快速从水中分离，分离时间小于1min。

从上述实施例以及图2的重复使用性能分析中，可知一种Ni掺杂磁性炭类芬顿催化剂不仅拥有高效的催化性能，重复使用多次后COD_cr去除率仍可达到70％以上，反应条件温和，回收快速，突破了传统芬顿、类芬顿反应的束缚，应用前景广阔。