FeO-CeO2/γ-Al2O3催化雙氧水處理羅丹明B廢水研究

王永慧，李楓盛，葛明慧，秦 拓，魏心瑤，田皓穎，蔡衛濱

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083)

催化濕式過氧化氫氧化(CWPO)工藝具有氧化無選擇性、降解有機物徹底、反應速率快等優點。本文通過制備復合氧化物負載型催化劑代替傳統Fenton工藝中的亞鐵離子，以解決后者帶來的鐵泥等二次污染問題。本文以介孔氧化鋁為載體，鐵與鈰為活性組分，通過活性組分快速催化過氧化氫產生強氧化性的羥基自由基，有效降解廢水中難降解的有機污染物。由于廢水穩定性不強，本文采用羅丹明B為模擬廢水，研究催化劑的活性。

1 實驗部分

1.1 試劑

試劑：硫酸、硫酸銀、六水合硫酸亞鐵銨、七水合硫酸亞鐵、硝酸鈰、重鉻酸鉀、羅丹明B、氫氧化鈉、30%過氧化氫；常用試劑均從商業渠道購買，除非特別說明，均為分析純品。

1.2 催化劑制備

向燒杯中加13.9g FeSO4·7H2O和0.2g Ce(NO3)3·6H2O配制成200mL溶液；再加入30g γ-Al2O3載體小球，置于70℃ 的恒溫水浴中攪拌浸漬4h。將浸漬完的載體用真空泵抽濾后在干燥箱100C烘干；隨后分別置于450，550，650，750℃和850℃的馬弗爐中煅燒4h，得到不同煅燒溫度下制備的FeO-CeO2/γ-Al2O3催化劑。

1.3 催化氧化效果研究

取100mL濃度為100mg/L的羅丹明B的水樣置于250mL的錐形瓶中，將初始pH值調至6，向各錐形瓶中加入20g FeO-CeO2/γ-Al2O3催化劑，再加入0.23mL質量分數為30%的H2O2，于一定溫度下恒溫振蕩床中反應2h，轉速200r/min。反應結束后用NaOH溶液將各水樣pH值調至9～10以終止反應，接著加入0.023gMnO2靜置除去殘留的H2O2。隨后測試水樣殘留COD并計算去除率。

2 實驗結果與討論

2.1 煅燒溫度對催化劑催化效果的影響

圖1 煅燒溫度與COD去除效果關系圖

合適的煅燒溫度能使不同活性組分形成較為穩定的固溶體，使催化劑獲得較好的催化效果，同時能有效降低處理水樣時活性組分的溶出，延長催化劑的使用壽命[1]。因此，本文研究了煅燒溫度對催化劑催化活性的影響，結果如圖1所示，在恒溫振蕩的溫度為60℃。由圖可知，煅燒溫度從450℃ 升高到750℃，水樣的COD去除率逐漸增加，依次為49.5%、61.3%、79.2%和92.1%，其中750℃煅燒溫度下催化劑的催化效果最佳，這主要是因為在此煅燒溫度下，FeO與CeO2能形成固溶體，Aneggi等[2]發現一方面鐵鈰固溶體的形成能有效提高材料的氧遷移能力；另一方面鐵鈰復合材料表面的無定型Fe2O3以及其與鐵鈰固溶體緊密接觸而產生的界面層，可能作為活性位提高了材料對雙氧水的吸附能力。當煅燒溫度進一步升高到850℃時，水樣的COD去除率迅速下降到72.2%，這主要是由于，當煅燒溫度過高時，一方面氧化鋁載體的比表面積和孔容大大減小；另一方面，當溫度過高時，催化劑顆粒團聚減少，表面積減少，兩者都減少了催化劑與雙氧水以及羅丹明B的接觸，因此催化效率下降。

2.2 反應溫度對催化劑催化效果的影響

溫度是催化濕式過氧化氫氧化反應的重要影響因素之一，能夠顯著影響反應時的傳質過程。本實驗采用羅丹明B模擬廢水進行了溫度對催化氧化效果的影響。實驗溫度分別為室溫(23.4℃)、30,40,50,60℃，實驗結果如圖2所示。

圖2 反應溫度與COD去除效果關系圖

由圖2可知，隨著反應溫度的增加，廢水COD的去除率逐漸增加。當反應溫度從30℃增加到40℃，水樣COD的去除率從30.9%增加到70.4%；這主要是因為增加反應溫度可以促進反應的傳質過程，可加快H2O2、廢水和催化劑三者之間的反應，從而產生更多的羥基自由基，有利于廢水的降解[3]。當反應溫度進一步升高到50℃和60℃時，水樣COD的去除率分別為76.3%和86.6%，此時隨著溫度的增加，COD去除率增加速率相對減緩。因此，基于COD的去除率和經濟成本，40℃可作為工業處理廢水的合適反應溫度。

3 結論

以氧化鋁為載體，以FeO與CeO2為催化劑活性成分，通過浸滯法制備了FeO-CeO2/γ-Al2O3雙氧水催化氧化催化劑。研究了催化劑煅燒溫度與反應溫度對催化劑催化效果的影響。

隨煅燒溫度增加，催化劑的催化效果先上升而后下降，在750℃催化效果最佳，對應COD去除率86.6%；隨反應溫度上升，催化效果先快速上升，隨后上升速度降低。基于COD去除率和經濟成本，40℃較為合適，對應COD去除率70.4%。