CN105521787A - 一种可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可用于处理亚甲基蓝工业废水的二元复合氧化物LiFe5O8催化剂及其制备方法和应用，属于无机功能材料制备技术领域。本发明的LiFe5O8催化剂是将锂化合物、铁盐和柠檬酸依次加入水中，搅拌溶解，然后加入乙二醇，升温到100℃～130℃，继续搅拌形成凝胶，最后将凝胶在400℃～900℃下煅烧4～15小时制得。本发明的催化剂在常温常压条件下，无需光照射下即能高效催化双氧水氧化分解工业废水中的亚甲基蓝染料，具有制备简单快速，降解有机污染物速度快且效果显著、处理成本低，不产生二次污染等优点，另外，本发明的LiFe5O8催化剂还可多次循环使用，LiFe5O8催化剂在第二、第三次循环使用中对工业废水中亚甲基蓝的降解率均超过90.0％。

Description

一种可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于无机功能材料制备技术领域，涉及一种催化剂组合物，尤其涉及一种可用于处理亚甲基蓝工业废水的二元复合氧化物LiFe5O8催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
目前有机染料废水已经成为主要的水体污染源之一。该废水具有水量大、浓度高、成分复杂、色度深和难降解等特点。大多数染料还具有毒性、致癌性、致畸和致突变的作用。亚甲基蓝是一种重要的有机化学合成阳离子染料，工业应用非常广泛。例如，可应用于麻、蚕丝织物、纸张的染色及竹、木的着色，应用于生物、细菌组织的染色以及应用于制造墨水和色淀等。亚甲基蓝在工业上的广泛应用也将导致含亚甲基蓝染料废水对水体的严重污染。目前有机染料废水的处理方法主要有生物法、混凝法、光催化法、吸附法、膜分离法及高级氧化技术等。生物法受pH值、温度、盐份和染料种类等因素的影响，使得生物法处理的效果不够理想。混凝法的运行费用较高，泥渣量大而且脱水困难，适用的pH值范围窄。光催化法需要光源照射体系，在实际应用中受天气影响大。吸附法易受水中的悬浮物和油脂等影响，而且吸附剂用量大、费用高。膜分离法分为电渗析法、反渗透法、纳滤法和超滤法等，其中电渗析法、反渗透法、纳滤法的优点是染料去除率高，能回收废水中的染料，工艺简单，但是所用膜的成本较高，操作压力较大，造成膜法的能耗偏高，影响了其工业化应用。传统的超滤法由于膜孔径较大，难以去除低分子量的有机污染物。
在氧化技术法中，通常是采用由亚铁离子和双氧水组成的芬顿试剂降解有机染料，原理是亚铁离子催化双氧水分解有机物，但该方法存在亚铁离子难以回收且易造成二次污染等缺点。申请号为201110058905.0的专利申请公开了一种可降解MB工业废水的Cu2S催化剂的制备方法和应用，该专利申请是将二价铜与有机物4-氯-3-氨基苯磺酸反应制备铜有机配合物，然后以乙二醇和乙二胺为溶剂，加入铜有机配合物和可溶性硫化物，在水热反应釜中反应6～48小时制备得到Cu2S催化剂，Cu2S催化双氧水降解亚甲基蓝染料的时间是100分钟，因此该方法存在制备工艺复杂，且Cu2S对亚甲基蓝降解时间长，降解效率低等缺陷。申请号为200510122782.7的专利申请公开了一种亚甲基蓝染料废水处理方法及催化剂制备方法，该方法以溶剂热法制备锰的纳米结构氧化物，并催化双氧水分解亚甲基蓝染料，同样存在催化剂制备工艺复杂，降解亚甲基蓝染料时间所需时间长等不足。授权公告号为CN103038169B的专利公开了一种含锂复合氧化物的制造方法，至少包括：使作为原料物质的锂源、元素M源、磷源以及元素X源溶解到溶剂中来制备溶液的工序，其中，在至少使元素M源溶解后添加磷源；使所得到的溶液凝胶化的工序；和对所得到的凝胶进行煅烧的工序，但是该方法制得的含锂复合氧化物中元素繁多，且主要用于增加锂二次电池的使用寿命。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种简单有效的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物LiFe5O8及其制备方法和应用。
为了实现上述目的，本发明通过大量试验研究后获得了如下技术方案：
本发明的一种可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物，是一种二元复合氧化物，所述复合氧化物的通式为LiFe5O8，所述复合氧化物可作为催化剂催化双氧水氧化降解废水中的亚甲基蓝染料。
上述所述的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将锂化合物、铁盐和柠檬酸依次加入水中，搅拌溶解，所述锂化合物中的锂、铁盐中的铁和柠檬酸的摩尔比为1：5：12～20；
(2)加入乙二醇，乙二醇加入量为柠檬酸摩尔数的3倍，搅拌10min后，加热到100℃～130℃，继续搅拌形成凝胶；
(3)将凝胶在400℃～900℃下煅烧4～15小时，得到所述二元复合氧化物LiFe5O8。
进一步地，上述技术方案中所述的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物的制备方法，其中步骤(3)中所述的煅烧温度为550℃～700℃，煅烧时间为7小时。
进一步地，上述技术方案中所述的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物的制备方法，其中步骤(1)中所述锂化合物中的锂、铁盐中的铁和柠檬酸的摩尔比为1：5：12。
进一步地，上述技术方案中所述的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物的制备方法，其中步骤(1)中所述的锂化合物选自如下的一种或多种：氢氧化锂、氯化锂、碳酸锂、硫酸锂、硝酸锂、磷酸锂、磷酸氢锂、磷酸二氢锂、甲酸锂、醋酸锂、柠檬酸锂。
进一步地，上述技术方案中所述的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物的制备方法，其中步骤(1)中所述的铁盐为硝酸铁、硫酸铁、醋酸铁、氯化铁中的一种或几种。
上述催化剂组合物用于处理亚甲基蓝工业废水的方法，包括将所述催化剂组合物悬浊于亚甲基蓝工业废水中，然后加入氧化剂双氧水进行降解处理。
进一步地，上述技术方案中所述催化剂组合物用于处理亚甲基蓝工业废水的方法，优选按0.5～4.0g/L废水的比例加入所述复合氧化物LiFe5O8，在搅拌条件下处理5～30分钟。
本发明的二元复合氧化物LiFe5O8催化剂应用于亚甲基蓝工业废水的具体方法是：以二元复合氧化物LiFe5O8为催化剂，降解反应条件为：亚甲基蓝浓度在1mg/L～90mg/L范围，处理每升亚甲基蓝工业废水的催化剂用量为0.5～4g，双氧水的加入量为2.0～23.0g/L，溶液体系处于常温常压，当亚甲基蓝溶液体积为40mL，浓度为10mg/L时，在搅拌条件下加入催化剂0.10g，双氧水0.3g，催化降解10分钟，亚甲基蓝的降解率可达90％以上，残余溶液颜色为无色，将残余溶液替换为新的亚甲基蓝溶液后再进行催化剂再循环使用，结果表明，LiFe5O8催化剂在第二次循环使用、第三次循环使用中的亚甲基蓝的降解率都达到了90％以上。
本发明在常温常压下，无需光照射下能有效处理亚甲基蓝工业废水，本发明的催化剂具有催化降解效率高、制备工艺流程简单、无二次污染产生，并且运行费用低等特点，具有很高的实际应用价值。
与现有技术相比，本发明涉及的一种可用于处理亚甲基蓝工业废水的二元复合氧化物LiFe5O8催化剂及其制备方法和应用，具有如下突出的实质性特点和显著的进步：
(1)本发明的催化剂LiFe5O8制备方法简单；
(2)本发明的催化剂LiFe5O8活性高，能在较短的时间内快速而且高效地降解亚甲基蓝污染物；
(3)本发明的废水处理方法在常温常压下即可进行，工艺流程简单和成本低；
(4)本发明的废水处理方法不需要采用任何光源照射降解体系；
(5)本发明的催化剂LiFe5O8可重复使用多次。
具体实施方式
以下通过实施例形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
将0.66g硝酸锂(9.57×10-3mol)、19.45g九水硝酸铁(4.80×10-2mol)、和24.38g一水柠檬酸(1.16×10-1mol)依次加入60mL(3.33mol)蒸馏水中，搅拌溶解，然后加入21.65g乙二醇(0.35mol)后搅拌10min，升温到120℃继续搅拌，直至形成凝胶，再将凝胶在400℃下加热7小时，得到二元复合氧化物LiFe5O8催化剂。
取0.10克按上述方法制备得到的二元复合氧化物LiFe5O8催化剂及0.3g双氧水用于降解亚甲基蓝工业废水，亚甲基蓝的浓度为10mg/L，体积为40mL，在搅拌作用下于常温常压条件下催化降解亚甲基蓝一定时间，然后在离心机上离心，取上清液，采用分光光度计，在亚甲基蓝最大吸收波长处(660nm)测量吸光度，按吸光度-浓度工作曲线换算成亚甲基蓝水溶液的浓度，结果如表1所示，当降解时间为10分钟，亚甲基蓝降解率为92.04％。
表1降解时间与亚甲基蓝工业废水的降解率
催化剂降解时间/min 3 6 10 14
降解率/％ 88.3 90.4 92.1 94.6
实施例2
将0.66g硝酸锂(9.57×10-3mol)、19.45g九水硝酸铁(4.80×10-2mol)、和24.38g一水柠檬酸(1.16×10-1mol)依次加入60mL(3.33mol)蒸馏水中，搅拌溶解，然后加入21.65g乙二醇(0.35mol)后搅拌10min，升温到120℃继续搅拌，直至形成凝胶，再将凝胶在550℃下加热7小时，得到二元复合氧化物LiFe5O8催化剂。
取0.10克按上述方法制备得到的二元复合氧化物LiFe5O8催化剂及0.3g双氧水用于降解亚甲基蓝工业废水，亚甲基蓝浓度为10mg/L，体积为40mL，在搅拌作用下于常温常压条件下催化降解亚甲基蓝10分钟，然后在离心机上离心10分钟取上清液，采用分光光度计，在亚甲基蓝最大吸收波长处(660nm)测量吸光度，按吸光度-浓度工作曲线换算成亚甲基蓝水溶液的浓度，当降解时间为10分钟，亚甲基蓝降解率为94.35％。
实施例3
将0.66g硝酸锂(9.57×10-3mol)、19.45g九水硝酸铁(4.80×10-2mol)、和24.38g一水柠檬酸(1.16×10-1mol)依次加入60mL(3.33mol)蒸馏水中，搅拌溶解，然后加入21.65g乙二醇(0.35mol)后搅拌10min，升温到120℃继续搅拌，直至形成凝胶，再将凝胶在900℃下加热7小时，得到二元复合氧化物LiFe5O8催化剂。
取0.10克按上述方法制备得到的LiFe5O8催化剂及0.3g双氧水降解亚甲基蓝废水，亚甲基蓝浓度为10mg/L，体积为40mL，在搅拌作用下于常温常压条件催化降解亚甲基蓝10分钟，然后在离心机上离心10分钟取上清液，采用分光光度计，在亚甲基蓝最大吸收波长处(660nm)测量吸光度，按吸光度-浓度工作曲线换算成亚甲基蓝水溶液的浓度，当降解时间为10分钟，亚甲基蓝降解率为95.05％。
实施例4
为了考察催化剂的循环使用情况，取实施例2所述催化剂的制备方法得到的二元复合氧化物LiFe5O8进行连续三次催化双氧水降解亚甲基蓝染料试验，每次降解时间为10分钟。
在盛有40mL的10mg/L的亚甲基蓝溶液的烧杯中加入0.10g的二元复合氧化物LiFe5O8及0.3g双氧水，在磁力搅拌作用下，于常温常压催化降解10分钟后，在离心机上离心10分钟取上清液，采用分光光度计，在亚甲基蓝最大吸收波长处(660nm)测量吸光度，按吸光度-浓度工作曲线换算成亚甲基蓝水溶液的浓度，将离心后的上清液用滴管吸出，只留下催化剂固体部分，加入40mL新的10mg/L亚甲基蓝溶液，补充双氧水,重复上述降解亚甲基蓝过程，如此循环使用二元复合氧化物LiFe5O8催化剂进行第二次循环、第三次循环使用降解亚甲基蓝染料试验，结果如表2所示。
表2催化剂循环降解亚甲基蓝染料
催化剂使用次数 1 2 3
降解率/％ 94.20 92.5 90.3
由表2可以看出，催化剂在三次循环中降解亚甲基蓝染料的降解率都在90.0％以上，这表明二元复合氧化物LiFe5O8催化剂能够多次循环使用。

Claims (8)

1.一种可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物，是一种二元复合氧化物，其特征在于：所述复合氧化物的通式为LiFe5O8。
2.一种根据权利要求1所述的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)将锂化合物、铁盐和柠檬酸依次加入水中，搅拌溶解，所述锂化合物中的锂、铁盐中的铁和柠檬酸的摩尔比为1：5：12～20；
(2)加入乙二醇，乙二醇加入量为柠檬酸摩尔数的3倍，搅拌10min后，加热到100℃～130℃，继续搅拌形成凝胶；
(3)将凝胶在400℃～900℃下煅烧4～15小时，得到所述二元复合氧化物LiFe5O8。
3.根据权利要求2所述的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的煅烧温度为550℃～700℃，煅烧时间为7小时。
4.根据权利要求2或3所述的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述锂化合物中的锂、铁盐中的铁和柠檬酸的摩尔比为1：5：12。
5.根据权利要求2所述的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的锂化合物选自如下的一种或多种：氢氧化锂、氯化锂、碳酸锂、硫酸锂、硝酸锂、磷酸锂、磷酸氢锂、磷酸二氢锂、甲酸锂、醋酸锂、柠檬酸锂。
6.根据权利要求2所述的可用于处理亚甲基蓝工业废水的催化剂组合物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的铁盐为硝酸铁、硫酸铁、醋酸铁、氯化铁中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的催化剂组合物用于处理亚甲基蓝工业废水的方法，其特征在于：包括将所述催化剂组合物悬浊于亚甲基蓝工业废水中，然后加入氧化剂双氧水进行降解处理。
8.根据权利要求7所述的催化剂组合物用于处理亚甲基蓝工业废水的方法，其特征在于：按0.5～4.0g/L废水的比例加入所述复合氧化物LiFe5O8，在搅拌条件下处理5～30分钟。
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