FeO-CeO2/γ-Al2O3催化双氧水处理罗丹明B废水研究

王永慧，李枫盛，葛明慧，秦 拓，魏心瑶，田皓颖，蔡卫滨

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083)

催化湿式过氧化氢氧化(CWPO)工艺具有氧化无选择性、降解有机物彻底、反应速率快等优点。本文通过制备复合氧化物负载型催化剂代替传统Fenton工艺中的亚铁离子，以解决后者带来的铁泥等二次污染问题。本文以介孔氧化铝为载体，铁与铈为活性组分，通过活性组分快速催化过氧化氢产生强氧化性的羟基自由基，有效降解废水中难降解的有机污染物。由于废水稳定性不强，本文采用罗丹明B为模拟废水，研究催化剂的活性。

1 实验部分

1.1 试剂

试剂：硫酸、硫酸银、六水合硫酸亚铁铵、七水合硫酸亚铁、硝酸铈、重铬酸钾、罗丹明B、氢氧化钠、30%过氧化氢；常用试剂均从商业渠道购买，除非特别说明，均为分析纯品。

1.2 催化剂制备

向烧杯中加13.9g FeSO4·7H2O和0.2g Ce(NO3)3·6H2O配制成200mL溶液；再加入30g γ-Al2O3载体小球，置于70℃ 的恒温水浴中搅拌浸渍4h。将浸渍完的载体用真空泵抽滤后在干燥箱100C烘干；随后分别置于450，550，650，750℃和850℃的马弗炉中煅烧4h，得到不同煅烧温度下制备的FeO-CeO2/γ-Al2O3催化剂。

1.3 催化氧化效果研究

取100mL浓度为100mg/L的罗丹明B的水样置于250mL的锥形瓶中，将初始pH值调至6，向各锥形瓶中加入20g FeO-CeO2/γ-Al2O3催化剂，再加入0.23mL质量分数为30%的H2O2，于一定温度下恒温振荡床中反应2h，转速200r/min。反应结束后用NaOH溶液将各水样pH值调至9～10以终止反应，接着加入0.023gMnO2静置除去残留的H2O2。随后测试水样残留COD并计算去除率。

2 实验结果与讨论

2.1 煅烧温度对催化剂催化效果的影响

图1 煅烧温度与COD去除效果关系图

合适的煅烧温度能使不同活性组分形成较为稳定的固溶体，使催化剂获得较好的催化效果，同时能有效降低处理水样时活性组分的溶出，延长催化剂的使用寿命[1]。因此，本文研究了煅烧温度对催化剂催化活性的影响，结果如图1所示，在恒温振荡的温度为60℃。由图可知，煅烧温度从450℃ 升高到750℃，水样的COD去除率逐渐增加，依次为49.5%、61.3%、79.2%和92.1%，其中750℃煅烧温度下催化剂的催化效果最佳，这主要是因为在此煅烧温度下，FeO与CeO2能形成固溶体，Aneggi等[2]发现一方面铁铈固溶体的形成能有效提高材料的氧迁移能力；另一方面铁铈复合材料表面的无定型Fe2O3以及其与铁铈固溶体紧密接触而产生的界面层，可能作为活性位提高了材料对双氧水的吸附能力。当煅烧温度进一步升高到850℃时，水样的COD去除率迅速下降到72.2%，这主要是由于，当煅烧温度过高时，一方面氧化铝载体的比表面积和孔容大大减小；另一方面，当温度过高时，催化剂颗粒团聚减少，表面积减少，两者都减少了催化剂与双氧水以及罗丹明B的接触，因此催化效率下降。

2.2 反应温度对催化剂催化效果的影响

温度是催化湿式过氧化氢氧化反应的重要影响因素之一，能够显著影响反应时的传质过程。本实验采用罗丹明B模拟废水进行了温度对催化氧化效果的影响。实验温度分别为室温(23.4℃)、30,40,50,60℃，实验结果如图2所示。

图2 反应温度与COD去除效果关系图

由图2可知，随着反应温度的增加，废水COD的去除率逐渐增加。当反应温度从30℃增加到40℃，水样COD的去除率从30.9%增加到70.4%；这主要是因为增加反应温度可以促进反应的传质过程，可加快H2O2、废水和催化剂三者之间的反应，从而产生更多的羟基自由基，有利于废水的降解[3]。当反应温度进一步升高到50℃和60℃时，水样COD的去除率分别为76.3%和86.6%，此时随着温度的增加，COD去除率增加速率相对减缓。因此，基于COD的去除率和经济成本，40℃可作为工业处理废水的合适反应温度。

3 结论

以氧化铝为载体，以FeO与CeO2为催化剂活性成分，通过浸滞法制备了FeO-CeO2/γ-Al2O3双氧水催化氧化催化剂。研究了催化剂煅烧温度与反应温度对催化剂催化效果的影响。

随煅烧温度增加，催化剂的催化效果先上升而后下降，在750℃催化效果最佳，对应COD去除率86.6%；随反应温度上升，催化效果先快速上升，随后上升速度降低。基于COD去除率和经济成本，40℃较为合适，对应COD去除率70.4%。