铁酸铜催化剂：污水处理新方法，高效降解有机废水，实现循环再利用

铁酸铜催化剂：污水处理新方法，高效降解有机废水，实现循环再利用

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种利用铜铁酸盐催化剂处理污水的方法，本发明的铜铁酸盐催化剂不仅对污水具有明显的降解效果，而且可以通过磁分离技术回收利用。

背景技术

近年来，科技的飞速发展总是伴随着生活、生产过程中大量有机废水的排放，这些有机废水暴露在自然界中，对生态造成难以控制甚至无法弥补的破坏。传统的处理废水的方法只能过滤较大的颗粒杂质，简单处理污水中的分子离子，这些传统的水处理方法难以适应日益复杂的化合物和一些不易生物降解的化合物。利用催化氧化技术处理污水是近年来发现的一种处理废水污染的新方法，特别是针对传统化学方法难以去除的低含量有机污染物。

在污水处理领域，催化技术解决了各类难以去除或降解的有机污染物的污水处理难题。20世纪80年代，自等人利用TiO2单晶电极实现光催化水分解后，如何利用光催化技术更高效、便捷地处理污水引起了人们的广泛关注。然而随着研究的不断深入，人们致力于寻找高效、优质、低成本的TiO2光催化剂，这面临着越来越大的挑战。TiO2具有较宽的禁带宽度，约为312eV，需要紫外光源激发，而紫外光占太阳光总能量的4%，大大限制了太阳光的利用效率。另外，TiO2作为污水处理的催化剂后，很难分离回收，不仅影响处理水的水质，而且随着污水处理需要不断补充相应的催化剂，增加了污水处理的成本。目前常用的催化材料已由最初的TiO2转变为后来多样化的TiO2复合材料，目前的研究重点转向更多可能成为新型催化材料的目标，高级氧化技术又称深度氧化技术有望成为有机废弃物特别是难降解有机废弃物处理的“杀手锏”。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服TiO2光催化剂的缺陷，提供一种利用铜铁酸盐催化剂进行废水处理的方法，实现高效、绿色环保。该方法所采用的催化剂具有良好的电磁性能、催化性能、气敏性能等特点。同时，铜铁酸盐催化剂的生产工艺简单，中间无残留废品污染，原料利用率高，有利于可持续发展的要求。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种利用铜铁酸盐催化剂处理污水的方法，其特征在于：其具体步骤如下：

步骤 1：初步治疗

工艺流程：污水→滤网→沉淀池→羽化池→沉淀池；

其中滤网、沉淀池通过物理作用滤除油类、固废、砂石及不溶于水的杂质；羽化池通过加入石灰与磷发生反应去除水中的磷，沉淀池在羽化池之后再次使用，去除不溶性杂质；

步骤2：二次加工

分解污水中的有机物；包括催化反应池、磁性吸附通道和沉淀池，其中，在催化反应池中加入试剂；磁性吸附通道利用多孔磁体将污水中的催化剂磁性回收，污水经过磁性通道后进一步进入沉淀池进行杂质沉淀；

步骤 3：三级处理

包括砂滤池、活性炭滤道和微藻池，砂滤池进一步过滤微小杂质；活性炭滤道吸附有毒物质，净化水质；微藻池利用微藻去除水中重金属；经检测，水质达标后排放或回用；其中：

所述铜铁氧体具有介孔结构，孔径为10nm～100nm；所述试剂由铜铁氧体催化剂和过氧化氢组成，其中过氧化氢与铜铁氧体催化剂的质量比不小于0.1。

一种铜铁氧体催化剂的制备方法，其特征在于：以铜、氧化铜、铁、氧化铁为原料，利用激光诱导自蔓延反应，使原料反应生成Cu2O进行催化合成过程；具体包括以下步骤：

步骤1：选取所需的原料粉末，将原料充分均匀地混合，得到混合原料；

步骤2：将混合好的原料放入反应容器中；

步骤3：用激光照射混合后的原料，调节激光，引发自蔓延反应，生成初生产品铜铁氧体材料；

步骤4、将铜铁氧体材料初品进行研磨，得到颗粒小、均匀度较好的铜铁氧体材料；其中：

步骤1中原料粉末为铜、氧化铜、铁、氧化铁，原料粉末的种类及配比根据实际产品需求选择；充分均匀混合是将混合均匀的小颗粒粉末通过研磨搅拌得到混合均匀的小颗粒粉末，或将混合均匀的小颗粒粉末压制成片剂；

步骤3中的激光诱导产生自蔓延反应，通过改变热的释放和传输速率来控制反应的速度、温度、转化率以及产品的组成和结构。

步骤3中所述激光为连续激光或脉冲激光，输出的激光波段为红外波段；所述激光的光谱波段为红外波段、可见光波段、或红外与可见光混合波段。

步骤3，将激光照射到混合好的原料上，通过反馈调节控制照射面积、功率和时间根据需求生成目标产物，实现对生成产物制备过程的局部实时控制。

调控激光是指激光器输出的激光控制反应，可以对烧结区域进行激光聚焦和空间分布控制，包括激光空间点阵和激光空间扫描。

制备环境为气体控制，气体为n2。

本发明所采用的铜铁酸盐催化剂在双氧水活化下，能够有效催化有机废弃物的降解，作为催化剂，其化学性质稳定，可以反复催化，而且由于催化剂本身具有磁性，可以非常方便地利用磁分离技术实现催化剂的回收利用。

具有尖晶石结构的铁氧体化合物近年来在制备领域脱颖而出，尖晶石结构的晶体结构稳定，禁带宽度小，容易发生跃迁，还具有无光腐蚀性等诸多优点和特点。铜铁氧体作为具有铁氧体典型性能的材料，具有催化响应谱带宽、铁氧体本身磁性能好、吸波特性极高等颇具潜在价值的性能，同时具有优异的催化能力，对于催化降解水污染，实现环境保护有着积极的意义。

采用铜铁氧体作为催化剂，由于其具有尖晶石型磁性，因此在使用过程中可以快速方便地回收，催化剂可以多次使用。

本发明的有益效果是：在二级处理中采用铜铁酸盐催化剂与双氧水配合使用，通过光催化作用实现有机物的分解和矿化，特别是提高了太阳光的利用效率。同时铜铁酸盐具有磁性，可以通过磁通道回收再利用，既避免了水质的二次污染，又可以循环利用，降低污水处理成本。

附图简要说明

图1为本发明的污水处理流程图；

图2为本发明实施例1制备的铜铁酸盐催化剂的XRD谱图；

图3为本发明实施例1制备的铜铁酸盐催化降解亚甲基蓝的吸光度曲线图；

图4为本发明实施例制备的铜铁酸盐催化降解罗丹明b的吸光度曲线；

图5为本发明实施例制备的铜铁氧体催化降解生活污水对比图。

详细描述

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限制本发明。

该污水处理方法具体包括以下步骤：一级处理、二级处理、三级处理，其中本发明主要针对二级处理提出了新的技术方案，实现高效、绿色、环保的污水处理方案。

一级处理包括滤网、沉淀池、羽化池。滤网、沉淀池主要通过物理性质过滤去除油、固体废物、砂石和不溶于水的杂质；羽化池通过加入石灰等物质与磷发生反应去除水中的磷，避免其成为藻类的营养物，造成生态破坏。经过羽化池后，再次使用沉淀池去除不溶性杂质。

二级处理主要对污水中的有机物进行分解，包括催化反应池、磁吸附通道、沉淀池等。催化反应池中加入铜铁氧体催化剂和过氧化氢即H2O2试剂。具有尖晶石结构的铜铁氧体催化剂带隙相对较窄，其吸收波长可拓展到可见光光谱区，具有可见光响应性，提高了太阳光利用效率。H2O2试剂在Fe2+离子的催化作用下，反应生成具有高活性特性的羟基自由基（-OH）。具有高氧化特性的（-OH）羟基自由基与绝大多数有机污染物发生反应，使其被氧化降解为小分子化合物或矿化。H2O2试剂生成（-OH）羟基自由基的过程可用下式表示：

fe2++h2o2→fe3++·oh+oh-κ＝76m-1s-1

fe3++h2o2→fe2++·ho2+h+κ＝0.003m-1s-1

Cu和Fe的碱性氧化物可以复合制备半导体材料。有研究报道，在H2O2刺激下纳米粒子的催化活性远强于Cu2O纳米粒子和Fe3O4纳米粒子。众所周知，H2O2具有良好的催化性能，能产生氧化性很强的（-OH）羟基自由基，使溶液中的有机污染物快速降解和矿化。值得注意的是，当铜离子和容易产生（-OH）羟基自由基的H2O2同时存在时，表现出良好的-试剂现象，其产生的原因可以用下面的公式来解释：

cu2++h2o2→cu++·h2o+h+κ＝1.15×10-6m-1s-1

cu++h2o2→cu2++·oh+oh-κ＝1.0×104m-1s-1

磁吸附通道主要利用多孔磁体实现污水中催化剂的磁回收再利用，污水经过磁通道后进一步进入沉淀池进行杂质沉淀。

三级处理包括砂滤池、活性炭滤道、微藻池，砂滤池进一步过滤微小杂质，活性炭滤道吸附有毒物质净化水质，微藻池利用微藻去除水中重金属，最后经检测水质达标后排放或回用。

示例 1

本实施例为铜铁氧体催化剂的制备：

按氧化铜和氧化铁的摩尔比1:1称取两种化合物粉末a各3g，其中氧化铜1.0000g，氧化铁2.0000g，将混合后的粉末a放入研钵中充分研磨，使化合物粉末a混合均匀。

然后，将0.8000g所得化合物混合粉末a平铺于耐高温容器中，粉末厚度约1mm，直径为13mm。调节激光光斑与反应物粉末a重叠，调节激光功率为60W，照射时间为60s。缓慢降低激光功率，然后关闭激光。

烧结产物呈硬态，质地坚硬，将所得产物B放入研钵中，用杵研磨约10分钟，实验后得到颗粒小，均匀性较好的目标产物铜铁氧体C，对产物进行X射线衍射测试，得到图2中的XRD谱图。

示例 2

本例说明了二级处理，特别是亚甲基蓝的催化降解的特点和优势。

本发明制备的催化剂降解亚甲基蓝的流程如下。

取实施例1合成的铜铁氧体c 45mg加入到摩尔浓度为0.4mmol/l的50ml亚甲蓝溶液d中，在黑暗环境中静置20分钟，使铜铁氧体c与亚甲蓝充分接触，达到吸附平衡。然后向溶液中滴加浓度为0./ml的过氧化氢3ml，搅拌，使过氧化氢分子充分扩散。每隔10分钟收集1ml溶液，将固体催化剂离心，测定上清液的紫外可见光吸光度，绘制相应的催化曲线，如图3所示。从催化曲线可以看出，当反应时间达到30分钟时，亚甲蓝完全降解。将剩余的固体催化剂洗净，烘干，重复上述实验。实验结果表明，合成的铜铁氧体c可以重复使用，不影响催化效率。

示例 3

利用该方法制备的催化剂进行罗丹明b降解实验。

取实施例1合成的铜铁氧体c 60mg加入到摩尔浓度为1mmol/l的罗丹明b溶液e 50ml中，在黑暗环境中静置20分钟，使铜铁氧体c与罗丹明b充分接触，达到吸附平衡。然后向溶液中滴加浓度为0./ml的过氧化氢4ml，搅拌，使过氧化氢分子充分扩散。每隔10分钟收集1ml溶液，将固体催化剂离心，测定上清液的紫外可见光吸光度，绘制相应的催化曲线，如图4所示。从催化曲线可以看出，当反应时间达到30分钟时，罗丹明b完全降解。将剩余的固体催化剂洗净，烘干，重复上述实验。实验结果表明，合成的铜铁氧体材料可以重复使用，不影响催化效率。

示例 4

利用该方法制备的催化剂进行生活污水减量化试验。

取实施例1合成的铜铁氧体c 60mg加入到摩尔浓度为50ml的污水f溶液50ml中，充分搅拌含有催化剂污水的混合溶液g，再将浓度为0.1ml的过氧化氢4ml滴入溶液中，搅拌，使过氧化氢分子充分扩散，1小时后，混合溶液g颜色变得清澈，如图5所示。

综上所述，本发明能够高效合成生产降解有机物的催化材料，整个生产过程依赖纯物理反应，原料利用率高达99%以上，无废弃物产生，安全、绿色、无污染。

以上所述的具体实施例，进一步阐述了本发明所解决的技术问题、技术方案和有益效果。应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特点：

技术摘要

本发明公开了一种利用铜铁氧体催化剂处理污水的方法，包括：1）物理方法一级处理；2）化学方法二级处理；3）吸附去除三级处理。其中，本发明重点研究利用光催化剂，采用二级化学方法处理污水中的有机物。本发明的有益效果是：具有尖晶石结构的铜铁氧体具有良好的电磁性能、催化性能、气敏性能等多种性能。铜铁氧体的介孔结构使其具有很大的比表面积，介孔尺寸为10nm-100nm。多孔吸附可以高效处理污水，同时实现简单快速回收和多次重复利用。

技术研发人员：胡梦云；何家阳;蒋梦慈;冯光;曾和平

受保护技术用户：华东师范大学

技术开发日：2018.05.24

技术发布日期：2018.11.23