[發(fā)明專利]一種氮摻雜層狀納米碳催化劑及其制備與應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN109865529B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王郁現(xiàn);席佳欣;陳春茂;王慶宏
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)(北京)
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C02F1/78;C02F101/30;C02F101/32;C02F101/34;C02F103/36
• 代理公司: 北京三友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 姚亮;任默聞

本發(fā)明公開了一種氮摻雜層狀納米碳催化劑及其制備與應(yīng)用。該催化劑為層狀納米結(jié)構(gòu)，由β環(huán)糊精和三聚氰胺在高溫下加熱所形成的。其中β環(huán)糊精為碳源，三聚氰胺為氮源，均為非金屬原材料作為催化劑的原料，較其他催化劑的制備原料成本更為低廉，而且該材料的制備過程較為簡單、操作方便，在催化臭氧氧化體系催化臭氧降解石油化工行業(yè)污水中大分子有機(jī)污染物具有更為廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)催化劑用量為0.1g/L，臭氧濃度為25ppm時(shí)，能夠在45min完全降解對臭氧具有抗性的草酸，同時(shí)可以在45min將石油化工、制藥廢水中廣泛檢測的對硝基苯酚完全降解且顯著提高其TOC的去除率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于廢水處理技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種氮摻雜層狀納米碳催化劑及其制備與應(yīng)用。

背景技術(shù)

近年來，隨著工業(yè)化水平的快速發(fā)展，廢水的排放總量逐年增加，水環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，而煉化廢水是工業(yè)廢水的主要來源。研究發(fā)現(xiàn)，煉化廢水中除了含有石油類、COD、氨氮、硫、酚、氰化物等常規(guī)的污染物外，還含有一些微量且難以生物降解的有機(jī)污染物，主要包括環(huán)烷酸類、脂類、醇類以及雜環(huán)類，這類污染物的分子結(jié)構(gòu)上普遍帶有芳環(huán)、稠環(huán)和雜環(huán)，污染物本身就具有致癌、致畸、致突變的作用，因此2015年在新頒布的《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB31570-2015)中，國家環(huán)保部對煉化廢水的排放提出了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的有機(jī)廢水處理技術(shù)，如過濾、絮凝、蒸餾、萃取等只能通過改變有機(jī)污染物的形態(tài)，將其從污水中分離出來，并沒有將有機(jī)污染物破壞分解掉。

臭氧是一種氧化性很強(qiáng)的氧化劑，它的氧化能力在天然元素中僅次于氟，氧化還原電位高達(dá)2.07V，比大多數(shù)氧化劑的氧化性都高。但臭氧降解有機(jī)污染物是有選擇性的，它只能降解含有不飽和碳碳鍵的有機(jī)化合物。近年來，催化臭氧氧化法由于能夠催化臭氧產(chǎn)生大量的強(qiáng)氧化性且無選擇性的羥基自由基參與反應(yīng)，成為了研究的熱點(diǎn)。

現(xiàn)有的催化臭氧氧化的催化劑大多為金屬及金屬基催化劑，其在氧化活性物種的條件下容易導(dǎo)致金屬溶出，造成二次污染，因此在催化臭氧氧化體系下開發(fā)非金屬催化劑迫在眉睫。于是，相繼出現(xiàn)了活性炭、CNTs、納米碳、還原氧化石墨烯等非金屬碳材料作為催化臭氧氧化的催化劑。

碳材料具有sp、sp²和sp³雜化等多樣的電子軌道特性，而且其表面的缺陷位置以及氧官能團(tuán)都被認(rèn)為是催化活性位點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，在碳骨架中加入N、P、B等雜原子，由于電負(fù)性的差異，可以引起碳材料上sp²碳電荷密度的重新分配以及能帶結(jié)構(gòu)的定制，從而顯著提升碳材料的催化活性及穩(wěn)定性。

Renli Yin(Yin R,Guo W,Du J,et al.Heteroatoms doped graphene forcatalytic ozonation of sulfamethoxazole by metal-free catalysis:Performancesand mechanisms[J].Chemical Engineering Journal,2017,317:632-639.)等提出了一種氮和磷原子摻雜石墨烯做催化劑的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氮原子摻雜氧化石墨烯(NGO)和磷原子摻雜氧化石墨烯(PGO)作為非金屬材料具有顯著的催化臭氧氧化磺胺甲惡唑(SMX)的能力，其效率是臭氧系統(tǒng)的2.5倍之多，是還原氧化石墨烯(rGO)的1.5倍。

Wang(Wang Y,Xie Y,Sun H,et al.Efficient Catalytic Ozonation overReduced Graphene Oxide for p-Hydroxylbenzoic Acid(PHBA)Destruction:ActiveSite and Mechanism[J].ACS Applied MaterialsInterfaces,2016,8(15):9710-9720.)等人報(bào)道了用簡單的微波還原法在還原型氧化石墨(rGO)中摻雜N原子，顯著的改善了催化劑的催化性能，并認(rèn)為季銨鹽N起著關(guān)鍵的作用。