[發(fā)明專利]利用印染廢水絮凝污泥制備新型鐵-氮-碳催化劑的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010082999.4
• 申請日: 2020-02-07
• 公開（公告）號: CN111298821A
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭文朝;楊哲;王歡;齊綸
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué);河北碳科環(huán)境科技有限公司
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C02F9/04;C02F101/34
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 杜文茹

一種利用印染廢水絮凝污泥制備新型鐵?氮?碳催化劑的方法，鐵?氮?碳催化劑是將碳材料經(jīng)過非金屬氮摻雜作為載體，負(fù)載有鐵納米顆粒或者氧化鐵納米顆粒，所述的鐵?氮?碳催化劑中，氮含量為2～8％，鐵或者氧化鐵含量為0.1～5％，碳含量為88％～97％，鐵或者氧化鐵納米顆粒直徑的大小在0.1～10nm范圍。本發(fā)明的利用印染廢水絮凝污泥制備新型鐵?氮?碳催化劑的方法，利用廢水作為原料制備新型的鐵?氮?碳催化劑用于高效催化過硫酸鹽降解有機(jī)污染物。不需額外使用其他藥劑，制備過程簡單、成本低，且可以解決絮凝污泥的處理問題。氮摻雜碳材料本身對過硫酸鹽具有好的催化激活作用，鐵的存在能進(jìn)一步提高其催化活性，從而能夠進(jìn)一步提高其催化能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種催化劑。特別是涉及一種利用印染廢水絮凝污泥制備新型鐵-氮-碳催化劑的方法。

背景技術(shù)

環(huán)境污染是二十一世紀(jì)人類面臨的最嚴(yán)峻問題之一。工業(yè)高速發(fā)展而相應(yīng)環(huán)境保護(hù)措施不利導(dǎo)致的大量超標(biāo)污水排放，連同生活污水中存在的大量有機(jī)物導(dǎo)致了環(huán)境水體的嚴(yán)重污染，危害著人類的身體健康以及社會的可持續(xù)發(fā)展。可溶性芳香化合物，包括苯酚類精細(xì)化工產(chǎn)品、抗生素類藥物、農(nóng)藥等，由于苯環(huán)的穩(wěn)定性，很難在生態(tài)系統(tǒng)中自然降解，并可以滲透污染地下水，進(jìn)而危害各種生物以及人類的安全。有效且低成本的去除這些有機(jī)污染物一直以來都是環(huán)境和化工工作者的重要研究內(nèi)容。

高級氧化技術(shù)(Advanced oxidation Processes,AOPs)是利用強(qiáng)氧化性的自由基來降解有機(jī)污染物使其最終完全礦化的水處理工藝，是一種高效的污水凈化方法。其機(jī)理在于通過催化方法使氧化劑分解，從而產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基，如羥基自由基(·OH)并誘發(fā)一系列的親電或者親核的氧化反應(yīng)，攻擊水中的各種有機(jī)污染物，使其降解直至為二氧化碳、水和其它礦物鹽。常見的高級氧化技術(shù)包括芬頓(Fenton)氧化法、光催化氧化法、電化學(xué)氧化法等。芬頓(Fenton)氧化法是一種較常用的有效降解有機(jī)污染物的方法，而芬頓試劑的配制一般需要采用均相亞鐵離子作為催化劑才具有很好的氧化能力，而此過程會產(chǎn)生大量的淤泥和固體廢棄物。光催化氧化法需要高效的光催化劑才能實現(xiàn)，而且一般需要紫外光才能使污染物降解充分。電化學(xué)氧化法通常要求陽極具有較高的氧氣逸出過電位，主要采用的陽極材料有石墨、鉑/鈦、以及二氧化鉛/鈦復(fù)合電極等，若想獲得較強(qiáng)的氧化能力，需提供強(qiáng)直流電，耗能較高。

近年來，硫酸根自由基(Sulfate radical,SO₄^·-)為基礎(chǔ)的高級氧化技術(shù)(SR-AOPs)在降解消除環(huán)境污染物方面受到了越來越多的關(guān)注。相比于芬頓試劑中作為氧化媒介的·OH，由過硫酸鹽分解產(chǎn)生的SO₄^·-有多方面更優(yōu)良的性質(zhì)，例如更強(qiáng)的氧化能力(1.8-2.7V NHE vs 2.5V NHE(·OH))、更長的半衰期(30–40μs vs 20ns(·OH))、在復(fù)雜的水質(zhì)環(huán)境中對污染物有更好的選擇性氧化能力、并且適用于更寬的pH范圍，在pH＝2～8范圍內(nèi)均能展現(xiàn)出良好的氧化能力，而芬頓試劑僅在pH≈3.0左右起氧化作用。此外，由于過硫酸鹽是固體氧化劑，運(yùn)輸方便，且在水處理過程中不會引入額外的水，從而增加廢水處理體積。除此之外，過硫酸鹽還可以在非均相催化劑的作用下展現(xiàn)良好的氧化能力，而該過程的催化劑的回收利用方便，有利于降低成本，并且不會產(chǎn)生固體廢棄物。

Co²⁺是較早研究的均相催化體系，可以有效的產(chǎn)生SO₄^·-用于氧化降解水中的有機(jī)污染物。但是鈷離子屬于重金屬離子，其本身會對水體產(chǎn)生二次污染。非均相的氧化鈷及其負(fù)載型Co/載體復(fù)合物也可以作為該反應(yīng)的催化劑，但是無可避免也會有部分重金屬Co析出進(jìn)入水體中。碳材料來源豐富，且具有多種同素異形體，包括零維的碳量子點(CQDs)和富勒烯，一維的碳納米管(CNTs)，二維的石墨烯(GR)，三維多孔的泡沫石墨(GF)等，這些碳材料在能源、環(huán)境等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。