一種植物中空纖維負(fù)載的類(lèi)Fenton催化劑、制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種植物中空纖維負(fù)載的類(lèi)Fenton催化 劑、制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前我國(guó)水體污染越來(lái)越嚴(yán)重，其中現(xiàn)代印染工業(yè)所排放的廢水中染料分子含量 超標(biāo)，印染分子難于降解，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成重大威脅，因此對(duì)印染廢水的處理具 有重要的理論和實(shí)踐意義。目前處理印染廢水的方法主要有：吸附法、膜分離法、化學(xué)混凝 法、光催化氧化法、濕式空氣氧化法、生化法、Fenton試劑氧化法等。其中，F(xiàn)enton試劑法是 氏02在Fe2+的催化作用下生成具有高反應(yīng)活性的羥基自由基（? 0H)，?OH可與大多數(shù)有機(jī) 物作用使其降解?；趯?duì)傳統(tǒng)Fenton法的改進(jìn)，研究發(fā)現(xiàn)利用Fe'Mn2+等均相催化劑和 鐵粉、石墨、鐵、錳的氧化礦物等非均相催化劑共用，同樣可使H2O2分解產(chǎn)生*0H，因其反應(yīng) 基本過(guò)程與Fenton催化劑類(lèi)似，故稱(chēng)為類(lèi)Fenton催化劑。類(lèi)Fenton催化劑法投資小、工 藝簡(jiǎn)單、操作方便，已逐漸成為廢水處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
[0003] 在眾多的類(lèi)Fenton試劑中，F(xiàn)e3O4由于在非均相系統(tǒng)中可共存Fe2+與Fe3+，能有效 地避免均相Fe的集聚和沉淀，而其磁性又為催化劑的分離帶來(lái)很大的便利，因此，F(xiàn)e3O4是 目前最為理想的類(lèi)Fenton催化劑之一。研究表明，通過(guò)合適的載體能實(shí)現(xiàn)非均相催化劑的 吸附-高級(jí)氧化之間的協(xié)同作用，可有效地提高Fe3O4的高級(jí)氧化效率。目前已有將活性炭、 沸石、粘土等材料作為載體，應(yīng)用于Fe3O4類(lèi)Fenton催化劑的負(fù)載和制備，但是，這些材料往 往都是尺寸不規(guī)則的粉末或粒徑較大的塊狀碎片、顆粒等，具有一定的局限性，不利于實(shí)際 應(yīng)用。近年中，也出現(xiàn)了將碳納米管和殼聚糖管等空心管狀結(jié)構(gòu)的材料作為Fe3O4類(lèi)Fenton 催化劑載體的研究報(bào)道，但它們都需要專(zhuān)門(mén)的載體制備工藝和載體的表面化學(xué)改性，操作 復(fù)雜且成本較高，也極大地制約了這一類(lèi)負(fù)載型Fe3O4類(lèi)Fenton催化劑的制備和應(yīng)用。
[0004] 懸鈴木系懸鈴木科懸鈴木屬落葉大喬木，原產(chǎn)北美、墨西哥、地中海和印度一帶。 懸鈴木在我國(guó)很多城市均用為行道綠化樹(shù)種，我國(guó)的懸鈴木為一球、二球、三球懸鈴木。懸 鈴木球果成熟后懸掛于樹(shù)上經(jīng)冬不落，翌春果柄斷裂，球果掉落于地面，受機(jī)械力作用后 果球炸裂，散出許多小堅(jiān)果，著生于小堅(jiān)果上的果毛四處飄落，繼而以多種方式嚴(yán)重污染 空氣和人居環(huán)境：第一，懸鈴木果毛落地后受機(jī)械力作用而反復(fù)斷裂，形成可吸入顆粒物 (PMlO)，對(duì)人眼鼻造成不適，可導(dǎo)致皮膚瘙癢和角膜炎；第二，懸鈴木果毛吸附有細(xì)菌和病 毒，隨果毛碎肩進(jìn)入人體后，引發(fā)呼吸道感染、哮喘、咳嗽等疾病嚴(yán)重危害人體健康；第三， 散落地面和堆積的懸鈴木果毛為城市的清潔工作帶來(lái)壓力，飄散在空中的懸鈴木果毛也會(huì) 干擾行車(chē)駕駛視線，影響交通。因此，懸鈴木果毛的污染一直讓人們叫苦不迭又無(wú)可奈何。 實(shí)際上，長(zhǎng)久以來(lái)令人苦惱的懸鈴木果毛，本身是一種優(yōu)良的天然纖維，該纖維表面光滑無(wú) 褶，呈中空結(jié)構(gòu)，壁薄，比表面積大，懸鈴木果毛纖維是由果膠、纖維素和木質(zhì)素組成的死細(xì) 胞線性排列而成，質(zhì)硬，不易受壓變形。如果將懸鈴木果毛加以收集和資源開(kāi)發(fā)，可充分利 用其分布廣泛、性能穩(wěn)定及獨(dú)特的空心管結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，所開(kāi)發(fā)的一系列新型材料必將具有 可觀的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景。目前，僅有馬延文等關(guān)于碳化法國(guó)梧桐絮制備碳微 米管及作為超級(jí)電容器電極的研究，而尚未見(jiàn)到任何利用懸鈴木果毛制備負(fù)載型Fe3O4類(lèi) Fenton催化劑的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷和不足，本發(fā)明的目的是提供一種植物中空纖維負(fù)載的類(lèi) Fenton催化劑、制備方法及其應(yīng)用，解決了現(xiàn)有技術(shù)中操作復(fù)雜、成本高的問(wèn)題。
[0006] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種植物中空纖維負(fù)載的類(lèi)Fenton催化劑，包括載體和負(fù)載于載體上的催化劑； 所述的載體為植物中空纖維，所述的催化劑為非均相類(lèi)Fenton催化劑。
[0008] 具體的，所述的植物中空纖維為懸鈴木果毛纖維，懸鈴木果毛纖維的外徑為25~ 30ym，懸鈴木果毛纖維的內(nèi)徑為20~28ym;所述的非均相類(lèi)Fenton催化劑為四氧化三 鐵、鉬酸鐵或硫酸鐵；所述的負(fù)載于載體上的催化劑厚度為2~5ym。
[0009] 具體的，所述的四氧化三鐵為四氧化三鐵納米顆粒，四氧化三鐵納米顆粒的粒徑 為 35 ~60nm。
[0010] 制備所述的植物中空纖維負(fù)載的類(lèi)Fenton催化劑的方法，包括將三價(jià)鐵鹽、還原 劑、清洗后的植物中空纖維和穩(wěn)定劑混合后通過(guò)水熱反應(yīng)得到沉淀物，再將沉淀物進(jìn)行清 洗干燥即得植物中空纖維負(fù)載的類(lèi)Fenton催化劑。
[0011] 具體的，所述的三價(jià)鐵鹽與還原劑的用量關(guān)系為0. 1~2g三價(jià)鐵鹽加入5ml還原 劑，所述的三價(jià)鐵鹽與清洗后的懸鈴木果毛纖維的用量關(guān)系為5~20g三價(jià)鐵鹽加入Ig 清洗后的懸鈴木果毛纖維，所述的三價(jià)鐵鹽與穩(wěn)定劑的用量關(guān)系為0. 1~2g的三價(jià)鐵鹽加 入1~5ml的穩(wěn)定劑；
[0012] 所述的三價(jià)鐵鹽為三氯化鐵、硫酸鐵或硝酸鐵，所述的還原劑為水合聯(lián)氨，所述的 穩(wěn)定劑為甲醛。
[0013] 更具體的，所述的水熱反應(yīng)的條件為在110~150°C的溫度下反應(yīng)2~8h。
[0014] 另外，所述的干燥為40~80°C真空干燥，干燥時(shí)間為4~12h。
[0015] 所述的植物中空纖維負(fù)載的類(lèi)Fenton催化劑用于催化亞甲基藍(lán)印染廢水降解的 應(yīng)用。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0017] 本發(fā)明利用友好的反應(yīng)及生成環(huán)境，選用天然的懸鈴木果毛纖維制得了植物中空 纖維負(fù)載四氧化三鐵類(lèi)Fenton催化劑；
[0018] 第一，創(chuàng)新性地選用了懸鈴木果毛纖維為非均相類(lèi)Fenton催化劑的載體來(lái)源，該 纖維作為可再生資源，來(lái)源廣泛，易生物降解，以其作為類(lèi)Fenton催化劑的載體并應(yīng)用于 水體中污染物的降解，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用層面的以廢治廢，綠色環(huán)保；
[0019] 第二，懸鈴木果毛為空心管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)負(fù)載的Fe3O4所得到的類(lèi)Fenton催化劑具 有比表面積大，吸附能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。借助于該材料內(nèi)部巨大的空腔，可實(shí)現(xiàn)水體中污染物分 子在材料表面和空腔內(nèi)部的高效吸附和儲(chǔ)存，繼而借助于擴(kuò)散和傳質(zhì)為下一步發(fā)生在負(fù)載 態(tài)四氧化三鐵表面的Fenton催化提供了吸附-高級(jí)氧化之間協(xié)同作用的先決條件；
[0020] 第三，通過(guò)簡(jiǎn)單的步驟和溫和的實(shí)驗(yàn)條件所得到的植物中空纖維負(fù)載四氧化三鐵 類(lèi)Fenton催化劑，對(duì)亞甲基藍(lán)模擬染料廢水的催化效果優(yōu)異，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)該材料的重復(fù) 利用率尚，具有廣闊的應(yīng)用如景；
[0021] 第四，制備得到的植物中空纖維負(fù)載四氧化三鐵類(lèi)Fenton催化劑具有磁性，非常 便于分離，操作方便，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是實(shí)施例四制備得到的催化劑的掃描電鏡圖；
[0023] 圖2是實(shí)施例四制備得到的催化劑的能譜測(cè)定圖；
[0024] 圖3是實(shí)施例四制備得到的催化劑的X射線衍射圖；
[0025] 圖4是實(shí)施例四制備得到的催化劑的紅外光譜圖；
[0026] 圖5是實(shí)施例四制備得到的催化劑的磁滯曲線圖；
[0027] 圖6是實(shí)施例四制備得到的催化劑對(duì)亞甲基藍(lán)模擬印染廢水的Fenton催化降解 圖，1，2, 3,4為60,90,120, 30min時(shí)實(shí)施例四制備得到的催化劑對(duì)亞基藍(lán)溶液降解波峰；
[0028] 圖7是實(shí)施例四制備得到的催化劑的重復(fù)利用圖；
[0029] 下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本發(fā)明中所涉及的技術(shù)方案和方法，不僅適用于所述懸鈴木果毛中空纖維負(fù)載四 氧化三鐵類(lèi)Fenton催化劑的制備，也可作為基本制備路線，借鑒并應(yīng)用于其他天然纖維材 料負(fù)載非均相Fenton催化劑或類(lèi)Fenton催化劑的制備。在其它天然纖維材料負(fù)載非均 相Fenton催化劑或類(lèi)Fenton催化劑的制備中：一方面，天然纖維材料種類(lèi)可選為植物根 系、纖維束、花蕊、果毛、絨毛等；另一方面可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的催化劑可選擇鉬酸鐵、硫酸鐵等 常見(jiàn)的Fenton催化劑或類(lèi)Fenton催化劑材料，以上可能的其他天然纖維材料負(fù)載非均相 Fenton催化劑或類(lèi)Fenton催化劑的制備，只需在制備中