尖晶石型铁氧体CuFe2O4的制备及其Fenton反应效能研究*

亓淑艳，时振东，隋国超，马倪娜，宁丞伟，邵文韬

尖晶石型铁氧体CuFe2O4的制备及其Fenton反应效能研究*

亓淑艳*，时振东，隋国超，马倪娜，宁丞伟，邵文韬

（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150080）

本文采用溶胶-凝胶法制备了不同煅烧温度下的尖晶石型铁氧体CuFe2O4系列样品。利用XRD、SEM对样品的结构、形貌进行了表征。结果表明，煅烧温度在800℃以上时，所合成的样品均为单相尖晶石型铁氧体CuFe2O4，样品的形貌呈现球状。在尖晶石型铁氧体CuFe2O4体系中加入H2O2，利用Fenton反应，能够有效地降解亚甲基蓝染料废水。

铁氧体；Fenton反应；亚甲基蓝

我国的工业化程度和各项技术水平的发展随着时间的进行而慢慢地提高，由于工业的发展各种有机废水的排放量教之以往明显增多，随之而来的问题是普通的方法难以降解的有机污染物种类也随着工业的发展而增多。有机污染物一般都是毒性大、浓度高、色泽深，而且有机污染物的含盐量高很难被普通的生物降解去除，形成这种结果的原因是这是有机污染物中含有苯类、酚类、蒽醌类及杂环类等不易被降解的污染物。而且工业废水中所包含的这些有机污染物能导致生物发生各种病变，如何去除工业废水中有机污染一直都是处理废水中的难点，同时也成为了现在国内外水污染治理急需解决的一大难题[1，2]。

铁氧体[3]是一种具有良好的物理和化学性质并且功能较多的半导体材料，铁氧体在它的磁学性能、气敏性能、吸附性能和光催化性能等方面均已得到研究与应用[4-6]。Fenton氧化法[7]在处理难降解有机污染物时具有一般化学氧化法无法比拟的优点，它是一种非常有应用前景的处理的废水方法并且已成功处理了多种工业废水。H2O2由于其强氧化性可以处理多种废水，但是因为H2O2的价格昂贵，在实际应用中单独使用往往成本太高，所以通常H2O2一般是和其他处理方法联用，在废水的预处理或最终深度处理的时候运用这种方法[8，9]。另外，可采用Fenton法深度处理一些经过预处理后当水质仍然不能满足排放要求的在水中仍残留少量的生物难降解有机物[10]。

所以本文在尖晶石型铁氧体CuFe2O4体系中加入H2O2，利用Fenton反应，以实现降解亚甲基蓝染料废水的目的。

1 实验部分

1.1 样品的制备

实验过程中用的药品Zn（NO3）2，Fe（NO3）3，柠檬酸，NH3·H2O均为分析纯。计算和称量所需的药品，将称量好的药品配制成1.0mol·L-1的溶液。量取实验所需要量放入烧杯中。烧杯放置于50℃的水浴锅中，滴加NH3·H2O控制溶液的pH值在中性的范围。然后水浴90℃搅拌蒸干，得到样品的凝胶。将胶状物质置于烘箱中烘干以便得干凝胶。将得到的干凝胶进行灰化。灰化过后的样品在箱式电阻炉里850℃煅烧5 h，得黑色粉末样品。

1.2 样品的表征

用X射线分析方法测定样品的物相。Y-500型X射线衍射仪（丹东）：CuKα靶，波长0.15418nm，扫描速度6°·min-1，步进角度0.1°，扫描范围：10°～90°，管电压30kV，管电流20mA。利用扫描MX2600FE型电子显微镜（Camscan公司，英国）观测样品的形貌。利用721型分光光度计（上海）测量样品的吸光度进而分析其浓度的变化。

1.3 CuFe2O4Fenton反应降解亚甲基蓝的效能

净水效果检测：取0.5g产物和0.5mL0.5%的H2O2溶液加入到100mL指示剂（亚甲基蓝，10mg·L-）1中，分别检测不同煅烧温度下的铁酸铜的净水效果。实验时，将混合液放置在磁力搅拌器上，在无紫外灯作用下初步搅拌后静置，取得清液，测其吸光度，得到A0。之后开启磁力搅拌器，在紫外灯的作用下激发铁酸铜的光催化性，并每隔30min取一次清液测定其吸光度，计为A，测6次。此时，为取得清液，将取出的反应液置于离心管中，通过离心得到上层清液（转速为3000r·min-1，离心10min）。将此清液注入比色皿内，测定其吸光度。

脱色率通过此式算出，D=（A0-A）/A0×100%

2 结果与讨论

2.1 物相分析

图1为样品CuFe2O4在不同的煅烧温度下的XRD图。

从图1可以看出，煅烧温度未达到850℃的时，所得到的样品均含有Fe3O4的杂项峰；当煅烧温度超过850℃时，样品没有杂项峰，均为尖晶石型CuFe2O4单相，说明850℃为尖晶石型CuFe2O4的最低烧结温度。

2.2 形貌分析

图2为样品CuFe2O4前驱体于850℃下煅烧并保温5h所得产物放大10k倍的SEM图。

图2 尖晶石型铁氧体CuFe2O4的SEM图Fig.2SEM of spinel ferrite CuFe2O4

由图2可知，所得产物呈现球形颗粒状，有比较明显的团聚现象。从团聚体表层颗粒的形貌可以看出颗粒尺寸在0.5～1μm之间，颗粒尺寸均匀。

2.3 样品的Fenton反应降解亚甲基蓝的效能

图3是尖晶石型铁氧体CuFe2O4样品处理亚甲基蓝溶液脱色曲线。

图3 CuFe2O4样品处理亚甲基蓝溶液脱色曲线Fig.3Decolorization curves of methyl blue disposed by CuFe2O4sample

从图3中可以看出，不同煅烧温度下CuFe2O4产物的UV/Fenton体系的净水效果：各温度下的产物净水效果稳定，模拟污水的降解率随时间稳步增加。CuFe2O4与H2O2联合作用具有明显的净水性能，尤其是煅烧温度为850℃时，所得产物在紫外灯下对亚甲基蓝的降解率达到94.8%。

产生这种结果的原因可能是：当煅烧温度不足时，反应物中存在Fe2+，Fe2+浓度过高的时候H2O2的消耗过多，不利于轻基自由基的生成从而使得反应速率降低，导致脱色率降低了。

3 结论

本文采用溶胶-凝胶法制备出尖晶石型CuFe2O4，通过对样品的物相，形貌及降解水中有机污染物的分析，可以看出：

（1）煅烧温度超过850℃时，样品均为单相尖晶石型CuFe2O4。

（2）煅烧温度850℃，保温5h所得产物呈现球形颗粒状。

（3）尖晶石型CuFe2O4粒子的Fenton反应能够快速有效的氧化降解亚甲基蓝染料废水。

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Preparation and efficiency on Fenton reaction of spinel ferrite CuFe2O4*

QI Shu-yan，SHI Zheng-dong，SUI Guo-chao，MA Ni-na，NING Cheng-wei，SHAO Wen-tao
（College of Material Scionce and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China）

The different calcination temperature of spinel CuFe2O4was prepared by sol-gel method.Using XRD,SEM characterization of the structure morphology on the sample,the results shows that the synthetic samples is CuFe2O4when the calcination temperature above 800℃and it's Fenton reaction can effectively degrade methylene blue.

ferrite；Fenton reaction；methylene blue

TQ138.1

A

1002-1124（2014）11-0008-02

2014-07-28

哈尔滨理工大学大学生创新实验项目

亓淑艳（1976-），女，副教授，主要从事半导体光催化材料的研究。