CN100522353C

CN100522353C - 用于微波水处理的铁碳复合纳米催化剂及其制备方法

Info

Publication number: CN100522353C
Application number: CNB2007100525550A
Authority: CN
Inventors: 肖咪; 王毓楠
Original assignee: Huazhong Normal University
Current assignee: Huazhong Normal University
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2027-06-26
Also published as: CN101073773A

Abstract

本发明涉及用于微波水处理的铁碳复合纳米催化剂及其制备方法，属于微波水处理催化剂制备技术领域。该催化剂的主要组成为铁源与碳源，铁源与碳源质量比为10～1∶1。其中所述的铁源为纳米零价铁或纳米三氧化二铁；所述的碳源为碳纳米管或碳纳米纤维材料。制备方法是：采用碳源、铁源和聚四氟乙烯乳液为原材料，将其按组成配比混合均匀，成型后在氮气保护下常温干燥，即得到可用于微波水处理铁碳复合纳米催化材料。本发明方法合成的铁碳复合纳米催化材料催化效率高，合成路线简单，整个工艺过程容易控制，且在常温常压下进行，符合实际微波水处理技术的需要。

Description

用于微波水处理的铁碳复合纳米催化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铁碳复合纳米催化剂的制备方法，属于微波水处理催化剂制备技术领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展，资源和能源匮乏、环境污染、疾病传染等一系列伴生问题日益突出。如何消除和避免污染，寻找出水质净化的有效途径成为人们当前关注的焦点。近年来，微波水处理技术是目前国内外的水处理发展的趋势之一，它的特点是节能高效，无二次污染，基建投资省、运行费用低，处理后水质好。其中，选用何种微波水处理的催化剂对于微波水处理的效率至关重要，在水处理技术中，由于零价铁对水中各种氯代有机物、硝基化合物和重金属等有还原作用，从而用于有机废水处理乃至污染土壤修复；而由于碳类材料如活性碳颗粒，活性碳纤维等具有较大的比表面积，对水中有机污染物或重金属离子有较强的吸附作用，从而在水处理特别是深度处理技术中应用。

目前尚未见到关于制备铁碳复合微波水处理纳米催化剂材料制备的专利报道，国内关于微波诱导催化剂材料的专利仅限于制备改性氧化铝或复合有钡铁氧体和热解碳的泡沫状材料，而不是铁碳纳米复合材料，如采用工业氧化铝活化干燥焙烧后制备可用于微波诱导氧化工艺的改性氧化铝催化剂(CN1559670A)，采用可溶性钡盐和铁盐，与具有网络结构的凝胶聚合物配体复合，热解，煅烧，得到复合有钡铁氧体和热解碳的泡沫状材料，用于微波降解水中有机污染物(CN1765494A)。这些专利中采用的制备工艺较复杂，且能耗和成本较高。

本发明利用纳米铁、纳米碳和高分子乳液聚合反应制备用于微波水处理的铁碳复合纳米催化剂材料，工艺简单，而且成本低，便于进一步扩大化生产，在水处理领域有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波水处理的铁碳复合纳米催化剂及制备方法。直接用纳米零价铁或纳米三氧化二铁和碳纳米材料为基本原料，加入高分子聚合物聚合反应，制备出有较好的微波吸收性能和催化性能的纳米复合材料。

本发明的一种用于微波水处理的铁碳复合纳米催化剂，该催化剂的主要组成为铁源与碳源，铁源与碳源质量比为10～1：1，其中所述的铁源为纳米零价铁或纳米三氧化二铁；所述的碳源为碳纳米管或碳纳米纤维材料。

本发明的用于微波水处理的铁碳复合纳米催化剂的制备方法步骤为：

步骤1、称取铁源和碳源加入到容器中，铁源和碳源的质量比为10～1：1，混合均匀，所述的铁源为纳米零价铁或纳米三氧化二铁，所述的碳源为碳纳米管或碳纳米纤维材料；

步骤2、在步骤1所得的混合物中加入高分子化合物乳液和表面活性剂，其中高分子化合物乳液的质量占铁源和碳源总质量的5～10％，表面活性剂的质量占铁源和碳源总质量的2～10％，搅拌均匀；

步骤3、将步骤2所得的混合物在氮气保护下常温干燥1～2小时，得到黑色粘状材料；

步骤4、将步骤3所得的粘状材料做成片状或颗粒状，控制温度60～80摄氏度下干燥3～10小时，即得到铁碳复合纳米催化剂。

步骤1中所述的铁源为纳米零价铁或纳米三氧化二铁；所述的碳源为碳纳米管或碳纳米纤维材料。

步骤2中所述的表面活性剂为聚乙二醇、可溶性淀粉、聚苯乙烯、十二烷基磺酸钠、溴棕三甲胺(十六烷基三甲基溴化铵)、吐温、氨基磺酸钠、氨基磺酸钾、糖精或1，4-丁炔二醇；所述的高分子化合物乳液为聚乙烯醇乳液、聚醋酸乙烯乳液、聚四氟乙烯乳液、聚丙烯酸乳液、聚氨酯乳液或环氧树脂。

本发明的优点：

1、合成路线简单，整个工艺过程容易控制，且在常温常压下进行，符合实际生产的需要；

2、合成的纳米复合催化剂材料中铁源和碳源分散均匀；

3、合成的纳米复合催化剂材料有较好的微波吸收性能，在水处理领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1(a)是本发明制备的铁碳复合纳米材料的5千倍放大的扫描电子显微镜图；

图1(b)是本发明制备的铁碳复合纳米材料的1万5千倍放大的扫描电子显微镜图；

图2是本发明制备的铁碳复合纳米材料透射电子显微镜图；

图3是本发明制备的铁碳复合纳米材料的粉晶X射线衍射图

图4是本发明制备的铁碳复合纳米材料能量弥散X射线分析图；

图5是本发明制备的铁碳复合纳米材料在微波体系催化降解染料废水图。

具体实施方式

实施例1

制备用于微波水处理的铁碳复合纳米材料催化剂，制备步骤为：

步骤1、称取纳米零价铁50g和5g碳纳米管于容器中，混合均匀；

步骤2、在步骤1所得的混合物中加入5.5g聚四氟乙烯乳液和5g十二烷基磺酸钠，搅拌均匀；

步骤3、在步骤2所得的混合物在氮气保护下常温干燥2小时，得到黑色粘状材料。

步骤4、在步骤3所得的粘状材料做成片状或颗粒状，控制温度70摄氏度下干燥8小时，即可得到铁碳纳米复合纳米催化剂材料。

实施例2

步骤1、称取纳米零价铁50g和50g碳纳米纤维于容器中，混合均匀；

步骤2、在步骤1所得的混合物中加入10g聚四氟乙烯乳液和10g聚乙二醇，搅拌均匀；

步骤4、在步骤3所得的粘状材料做成片状或颗粒状，控制温度80摄氏度下干燥10小时，即可得到铁碳纳米复合纳米催化剂材料。

实施例3

步骤1、称取纳米零价铁40g和10g碳纳米管于容器中，混合均匀；

步骤2、在步骤1所得的混合物中加入10g聚四氟乙烯乳液和5g聚乙二醇，搅拌均匀；

步骤4、在步骤3所得的粘状材料做成片状或颗粒状，控制温度70摄氏度下干燥10小时，即可得到铁碳纳米复合纳米催化剂材料。

实施例4

步骤1、称取纳米三氧化二铁50g和30g碳纳米纤维于容器中，混合均匀；

步骤2、在步骤1所得的混合物中加入25g聚四氟乙烯乳液和4g聚乙二醇，搅拌均匀；

步骤4、在步骤3所得的粘状材料做成片状或颗粒状，控制温度60摄氏度下干燥10小时，即可得到铁碳纳米复合纳米催化剂材料。

实施例5

步骤1、称取纳米三氧化二铁50g和10g碳纳米管于容器中，混合均匀；

步骤2、在步骤1所得的混合物中加入6g聚乙烯醇乳液和2g吐温，搅拌均匀；

步骤4、在步骤3所得的粘状材料做成片状或颗粒状，控制温度60摄氏度下干燥10小时，即可得到黑色的铁碳纳米复合纳米催化剂材料。

实施例6

步骤2、在步骤1所得的混合物中加入7g聚氨酯乳液和3g溴棕三甲胺，搅拌均匀；

所得样品(以纳米零价铁和碳纳米管组成的催化剂为例)经过5干倍放大的扫描电子显微镜图(JSM-5600)观察(见图1a)，复合纳米催化剂材料表面具有多孔结构，1万5千倍放大的扫描电子显微镜图(JSM-5600)观察结果(见图1b)和透射电子显微镜图(图2)说明纳米零价铁和碳纳米管均匀分散于样品中。所得样品经XRD测试，衍射图谱中(见图3)的特征峰分别与铁(JCPDS3-1050)、聚四氟乙烯(JCPDS 47-2217)、碳纳米管(JCPDS 74-444)的峰值吻合，说明材料有铁、碳和聚四氟乙烯构成，这与样品的能量弥散X射线分析图谱(见图4)一致。所得样品在微波下对染料废水中罗丹明B有很好的催化降解作用(见图5)。

Claims

1、用于微波水处理的铁碳复合纳米催化剂的制备方法，其特征在于制备步骤为：

步骤1、称取铁源和碳源加入到容器中，铁源和碳源的质量比为10～1：1，混合均匀；

步骤2、在步骤1所得的混合物中加入高分子化合物乳液和表面活性剂，其中高分子化合物乳液的质量占铁源和碳源总质量的10～50％，表面活性剂的质量占铁源和碳源总质量的2～10％，搅拌均匀；

步骤4、将步骤3所得的粘状材料做成片状或颗粒状，控制温度60～80摄氏度下干燥3～10小时，即得到铁碳复合纳米催化剂；

其中，所述的铁源为纳米零价铁或纳米三氧化二铁；所述的碳源为碳纳米管或碳纳米纤维材料；所述的高分子化合物乳液为聚乙烯醇乳液、聚醋酸乙烯乳液、聚四氟乙烯乳液、聚丙烯酸乳液或聚氨酯乳液。

2、如权利要求1所述的用于微波水处理的铁碳复合纳米催化剂的制备方法，其特征在于：所述的表面活性剂为聚乙二醇、可溶性淀粉、十二烷基磺酸钠、吐温、氨基磺酸钠、氨基磺酸钾、糖精或1，4-丁炔二醇。