[發(fā)明專利]一種以含鈷的氮摻雜有序介孔碳為催化劑的催化臭氧水處理方法

有效

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• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號(hào): CN113336310B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周明華;解金鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號(hào): C02F1/78
• 分類號(hào): C02F1/78;C02F1/72;B01J29/03;C02F101/30
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本發(fā)明涉及一種含鈷的氮摻雜有序介孔碳(Co?N?CMK3)為催化劑的催化臭氧水處理方法。本發(fā)明催化劑的特征在于：以介孔硅基分子篩材料SBA?15為硬模板劑，用六水硝酸鈷和三聚氰胺對(duì)SBA15孔道進(jìn)行填充得到含鈷的氮摻雜有序介孔碳催化劑(Co?N?CMK3)。Co?N?CMK3具有有序介孔結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在催化臭氧水處理方法中，該催化劑可有效提高對(duì)阿特拉津(ATZ)的去除,該過程遵循吸附和催化臭氧氧化共同作用的機(jī)制，Co?N?CMK3催化臭氧降解ATZ體系中反應(yīng)速率常數(shù)達(dá)0.374min^?1，是單獨(dú)臭氧化中的374倍。且在pH 3?9內(nèi)Co?N?CMK3催化臭氧水處理方法去除污染物均表現(xiàn)出優(yōu)異的效果，該水處理方法對(duì)去除不同種類污染物具有廣泛的適用性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出了一種含鈷的氮摻雜有序介孔碳(Co-N-CMK3)為催化劑的催化臭氧水處理方法，屬于環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源短缺和污染問題越來越嚴(yán)重。其中阿特拉津(ATZ)作為一種典型的除草劑農(nóng)藥，因其成本低、對(duì)雜草控制效果好而被廣泛應(yīng)用，但其在水中的半衰期較長，且不同生物體暴露在ATZ中可影響生長發(fā)育，還會(huì)導(dǎo)致遺傳改變甚至有致癌作用。非均相催化臭氧化技術(shù)利用催化劑促進(jìn)臭氧分解成·OH的特點(diǎn)，能將許多有機(jī)污染物氧化分解，廣泛用于水處理。固體催化劑的制備是非均相催化臭氧化的關(guān)鍵。碳材料由于其良好的催化臭氧化性能和無金屬污染受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。有序介孔碳(CMK3)具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，超高的比表面積、大的連通孔洞等優(yōu)勢，使得負(fù)載組分在CMK3表面的分散性、穩(wěn)定性和有序性都極大地提高，是優(yōu)異的碳材料載體。但是，CMK3催化臭氧化效率和穩(wěn)定性有待提高。過渡金屬(如Fe、Co、Ni等)具有催化臭氧活性，通過氧化還原循環(huán)促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移到O₃從而引發(fā)O₃分解，實(shí)現(xiàn)金屬多價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換。研究表明在高溫下過渡金屬可以促進(jìn)碳的石墨化前驅(qū)體生成石墨碳，并在其表面結(jié)合形成金屬-碳/氮結(jié)構(gòu)，這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)豐富電子協(xié)同效應(yīng)并且限制嵌入金屬的溶出；同時(shí)，碳表面缺陷位點(diǎn)和氧官能團(tuán)數(shù)量減少從而阻止O₃和ROS的親電攻擊。因此，本發(fā)明制備了含鈷的氮摻雜有序介孔碳(Co-N-CMK3)催化劑并應(yīng)用于催化臭氧化水處理中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)阿特拉津等有機(jī)物的有效去除。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有碳質(zhì)催化劑在催化臭氧化水處理工藝上的不足而提供了一種活性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好的含鈷的氮摻雜有序介孔碳為催化劑的催化臭氧化水處理方法。

本發(fā)明的目的通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

1.一種以含鈷的氮摻雜有序介孔碳為催化劑的催化臭氧水處理方法，其特征在于，所述水處理方法是將含鈷的氮摻雜有序介孔碳(Co-N-CMK3)加入有機(jī)污染物溶液中，然后鼓入臭氧，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)污染物的降解；所述含鈷的氮摻雜有序介孔碳催化劑通過以下步驟制備：

將六水合硝酸鈷溶解于5ml乙醇中，緩慢加入溶解有3mmol三聚氰胺的20mL水和乙醇混合液中(v:v＝1:1)，并將0.5g介孔硅基分子篩材料SBA-15分散于混合液中加熱至80℃攪拌2h，隨后將混合溶液放入烘箱加熱蒸干得到淡黃色固體混合物，并轉(zhuǎn)移至管式爐中于氬氣氛圍下煅燒得到黑色粉末樣品，經(jīng)氫氧化鈉水溶液堿洗去除SBA-15模板后將催化劑抽濾收集，用無水乙醇和超純水重復(fù)洗滌后干燥，最后得到含鈷的氮摻雜有序介孔碳催化劑(Co-N-CMK3)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以含鈷的氮摻雜有序介孔碳為催化劑的催化臭氧水處理方法，其特征在于硝酸鈷的用量為0.5-1.5mmol。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以含鈷的氮摻雜有序介孔碳為催化劑的催化臭氧水處理方法，其特征在于所述煅燒溫度為800℃-1000℃，煅燒時(shí)間為2h，升溫速率為5℃/min。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以含鈷的氮摻雜有序介孔碳為催化劑的催化臭氧水處理方法，其特征在于所述含鈷的氮摻雜有序介孔碳催化劑投加量為0.01-0.1g/L。