CN104528872A - 铁酸铋或其碳复合材料光催化脱氮方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其包括：至少在紫外和/或可见光照射条件下，优选在太阳光照射条件下，以铁酸铋和/或铁酸铋-碳复合材料作为光催化剂降解水体中的氨氮。其中，所述铁酸铋-碳复合材料主要由铁酸铋与石墨烯和/或活性炭组成，其中铁酸铋分布于石墨烯界面或被活性炭所包夹。本发明利用铁酸铋在碱性条件及在不同能量的光照条件下，将氨氮一步氧化成氮气，实现对水体中氨氮的快速、高效的降解，并且所采用的光催化材料可以通过外加磁场而与水体分离，并可重复循环使用，成本低廉，亦有利于环境保护。
Description
技术领域
本发明属于环境科学领域，具体涉及一种基于铁酸铋或其碳基复合材料的光催化降解氨氮的方法。
背景技术
农业上，氮肥是农作物生长的营养素，其营养成分是氨氮。但是水体中过量的氨氮会导致富营养化，严重时爆发蓝藻。因此国家规定氨氮的排放标准是15mg/L。
目前脱氮的方法主要有物理吹脱法、物理吸附法、生物降解法、化学沉淀法、电化学氧化法、折点加氯法等。这些方法要么成本高，要么效率低，折点加氯法还会产生余氯。因此，需要高效率、低成本、且无二次污染的脱氮新技术。
光催化反应常用于污水处理，尤其是用于水中难降解有机污染物的处理，反应产生的·OH活性自由基具有强氧化性,能将水体中难降解有机污染物降解去除并矿化为对环境无污染的CO2和H2O，是一种环境友好的绿色催化工艺。催化反应通常在均相下进行，对反应体系的pH值有严格的要求，通常只在pH值为2.5～3.5的范围内才有高的光催化活性，并且还存在催化剂难以分离与回收、铁离子流失造成二次污染等缺点。这些问题和缺点大大限制了催化反应在污水处理中的应用。因此需要研究开发多相催化剂。
清华大学沈洋等人报道了一种铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法及降解有机污染物(详见专利申请号201210359538.2)，但是该方案不涉及氨氮的降解。谢丹等人报道了一种碳基透明电极/铁酸铋光伏器件及其制备方法(专利申请号201210247686.5)，但是该专利不涉及在环境领域里的应用。本案发明人曾经报道了一种磁性铁酸镍光催化材料的制备方法及降解氨氮的应用(专利申请号：201210459681.9)，但是该方案中的镍离子对光催化反应有抑制作用，因而其催化效果有限。总之，现有光催化降解氨氮的技术均存在如下不足：(1)光催化剂不能有效利用太阳能中的可见光；(2)纳米粒子难以回收利用；(3)芬顿降解需要使用过氧化氢，增加了成本；(4)光催化效率有待提高。
发明内容
本发明目的在于提供一种铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其能在多种波长的光照条件下实现对水体中氨氮的高效降解，且成本低廉，从而克服了现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
一种铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，包括：至少在紫外光或/和可见光照射条件下，以铁酸铋和/或铁酸铋-碳复合材料作为光催化剂在碱性条件下直接催化氧化氨氮，实现水体中氨氮的脱除。
作为较为优选的实施方案之一，该方法包括：在太阳光照射条件下，以铁酸铋和/或铁酸铋-碳复合材料作为光催化剂降解水体中的氨氮。
较为优选的，该方法包括：在光催化反应开始前，将所述水体调至呈碱性，尤其优选的，将所述水体的pH值调节至9.5～10.5。
其中，用以将水体调节至呈碱性的碱性物质可以选自但不限于NaOH、Na2CO3、NaHCO3等。
进一步的，所述铁酸铋具有R3C空间群结构。
优选的，所述铁酸铋或铁酸铋-碳复合材料的尺寸为10-35nm，尤其优选为17-18nm。
进一步的，所述铁酸铋-碳复合材料主要由铁酸铋和石墨烯组成，其中铁酸铋分布于石墨烯的片层结构上，并且石墨烯的质量为铁酸铋质量的1-8％。
进一步的，所述铁酸铋-碳复合材料主要由铁酸铋和活性炭组成，铁酸铋被活性炭包夹形成核-壳结构，并且活性炭的质量为铁酸铋质量的1-8％。
较为优选的，该方法还包括：在将水体中的氨氮充分降解放出氮气后，采用磁分离方式将铁酸铋和/或铁酸铋-碳复合材料从水体中分离出并重复使用。
进一步的，利用该方法可以将水体中的氨氮降解至浓度低于15mg/L以下，达到国家一级排放标准。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)铁酸铋作为光催化剂，可在紫外光或可见光照射下，直接并且高效、快速地将水体中氨氮氧化为氮气放出，无需添加过氧化氢等氧化剂，从而降低了成本；并且铁酸铋可以通过外加磁场而与水体分离，可以重复循环使用，成本低廉，亦有利于环境保护；
2)进一步的，通过将铁酸铋与氧化石墨烯、活性炭等对于太阳光、可见光具有强吸收能力的碳基材料复合，还可进一步增强光催化剂对于太阳光、可见光的吸收，大幅提升其光催化效率，且同样的，所获的复合催化材料可以通过外加磁场而与水体分离，并可重复循环使用。
附图说明
图1是实施例1所获铁酸铋的电镜照片；
图2是实施例2所获石墨烯包裹铁酸铋复合催化剂的电镜照片；
图3是实施例3所获铁酸铋-活性炭复合催化剂的电镜照片。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，非常意外的发现，利用铁酸铋或以其为主体的复合材料作为催化剂，可以在紫外光或可见光的照射下，实现对于水体中氨氮的高效降解。基于这一意外发现，本案发明人提出了本发明的技术方案，其主要如下：
一种铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，包括：至少在可见光照射，优选在太阳光照射条件下，以铁酸铋和/或铁酸铋-碳复合材料作为光催化剂降解水体中的氨氮。
较为优选的，可在光催化反应开始前，将所述水体调至呈碱性，特别是将所述水体的pH值调节至9.5～10.5，然后进行光催化降解反应。
其中，所述铁酸铋-碳复合材料(亦称“石墨烯杂化铁酸铋催化材料”)主要由铁酸铋和石墨烯组成，石墨烯的质量优选为铁酸铋质量的1-8％。
当以该石墨烯杂化铁酸铋催化材料作为光催化剂时，其可利用的光为可见光，而其对于水体中氨氮的降解速度较铁酸铋提升2倍以上，并可将水体中氨氮的浓度降低至15mg/L以下。
进一步的，所述铁酸铋-碳复合材料(亦称“活性炭杂化铁酸铋催化材料”)主要由铁酸铋和活性炭组成，并且活性炭的质量为铁酸铋质量的1-8％。
当以该活性炭杂化铁酸铋催化材料作为光催化剂时，其可利用的光为可见光，而其对于水体中氨氮的降解速度较铁酸铋提升2倍以上，并可将水体中氨氮的浓度降低至15mg/L以下，符合国家一级排放标准。
本发明中的铁酸铋可以用业界所知的任何方式制取，其优选为粉体或颗粒状，粒径优选为10-35nm，尤其优选为17-18nm。
本发明中的铁酸铋-碳复合材料亦可参照用业界所知的合适方式制取，其优选为粉体或颗粒状，粒径优选为17-18nm。
作为本发明的一典型实施方案，可以将所述铁酸铋和/或铁酸铋-碳复合材料置于含氨氮的溶液中，调节溶液pH值在9.5～10.5之间，并在太阳光或可见光下降解氨氮。
本发明利用铁酸铋及其碳复合材料作为光催化剂降解氨氮的方法克服了目前脱氮技术的不足，具有快速、降解效率高、可回收循环利用、无二次污染、成本低等特点。
下面结合若干实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1铁酸铋的合成：以三氯化铁或硝酸铁和硝酸铋为原料，按照摩尔比Fe:Bi＝1:1的比例称量，分别溶解于超纯水中，然后均匀混合，在其中加入一定质量的NaOH，搅拌30-60分钟后转移至反应釜中，在180℃的条件下密闭加热10小时，然后在磁场中分离，并洗涤3次。在180-220℃烘干4个小时即得磁性铁酸铋纳米光催化材料，其形貌请参阅图1。
实施例2活性炭杂化铁酸铋催化剂的合成：以三氯化铁或硝酸铁和硝酸铋为原料，按照摩尔比Fe:Bi＝1:1的比例称量，分别溶解于超纯水中，然后均匀混合。在其中加入铁酸铋质量的1-8％的氧化石墨烯，超声30-60分钟，然后搅拌30分钟，再加入一定质量的NaOH，搅拌30-60分钟后转移至反应釜中，在180℃的条件下密闭加热10小时，然后在磁场中分离，并洗涤3次。在180-220℃烘干4个小时即得石墨烯杂化铁酸铋纳米光催化材料，其形貌请参阅图2。
实施例3石墨烯杂化铁酸铋催化剂的合成：以三氯化铁或硝酸铁和硝酸铋为原料，按照摩尔比Fe:Bi＝1:1的比例称量，分别溶解于超纯水中，然后均匀混合。在其中加入铁酸铋质量的1-8％的活性炭，超声30-60分钟，然后搅拌30分钟，再加入一定质量的NaOH，搅拌30-60分钟后转移至反应釜中，在180℃密闭加热10小时，然后在磁场中分离，并洗涤3次。在180-220℃烘干4个小时即得活性炭杂化铁酸铋纳米光催化材料，其形貌请参阅图3。
实施例4取实施例1制备的铁酸铋光催化剂0.2000g，将其放入50mL含氨氮浓度100mg/L的溶液中，加入适量NaOH、Na2CO3或NaHCO3，保持溶液的pH值9.5-10.5之间，置于300W波长大于400nm的可见光下进行光催化反应，光源离反应液面距离为20cm，降解13.5h，氨氮浓度降低至15mg/L以下，达到国家排放标准。
实施例5：取实施例1制备的铁酸铋光催化剂0.2000g，将其放入50mL含氨氮浓度100mg/L的溶液中，加入适量NaOH、Na2CO3或NaHCO3，保持溶液的pH值9.5-10.5之间，置于太阳光下进行光催化反应，降解4h，氨氮浓度降低至15mg/L以下，达到国家排放标准。
实施例6：取实施例2制备的石墨烯铁酸铋杂化光催化剂0.2000g，将其放入50mL含氨氮浓度100mg/L的溶液中，加入适量NaOH、Na2CO3或NaHCO3，保持溶液的pH值9.5-10.5之间，置于太阳光下进行光催化反应，降解4h，氨氮浓度降低至15mg/L以下，达到国家排放标准。
实施例7：取实施例3制备的活性炭铁酸铋杂化光催化剂0.2000g，将其放入50mL含氨氮浓度100mg/L的溶液中，加入适量NaOH、Na2CO3或NaHCO3，保持溶液的pH值9.5-10.5之间，置于太阳光下进行光催化反应，降解4h，氨氮浓度降低至15mg/L以下，达到国家排放标准。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1. 一种铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其特征在于包括：至少在紫外光或/和可见光照射条件下，以铁酸铋和/或铁酸铋-碳复合材料作为光催化剂在碱性条件下直接催化氧化氨氮，实现水体中氨氮的脱除。
2. 根据权利要求1所述的铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其特征在于包括：在太阳光照射条件下，以铁酸铋和/或铁酸铋-碳复合材料作为光催化剂降解水体中的氨氮。
3. 根据权利要求1所述的铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其特征在于还包括：在光催化反应开始前，将所述水体调至呈碱性。
4. 根据权利要求3所述的铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其特征在于还包括：在光催化反应开始前，将所述水体的pH值调节至9.5～10.5。
5. 根据权利要求3或4所述的铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其特征在于，用以将水体调节至呈碱性的碱性物质至少选自NaOH、Na2CO3、NaHCO3。
6. 根据权利要求1-4中任一项所述的铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其特征在于所述铁酸铋具有R3C空间群结构。
7. 根据权利要求1所述的铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其特征在于所述铁酸铋或铁酸铋-碳复合材料的粒径为10-35nm。
8. 根据权利要求7所述的铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其特征在于所述铁酸铋或铁酸铋-碳复合材料的粒径为17-18nm。
9. 根据权利要求1-4中任一项所述的铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其特征在于：
所述铁酸铋-碳复合材料主要由铁酸铋和石墨烯组成，其中铁酸铋分布于石墨烯的片层结构上，并且石墨烯的质量为铁酸铋质量的1-8%；
或者，所述铁酸铋-碳复合材料主要由铁酸铋和活性炭组成，其中铁酸铋被活性炭包夹形成核-壳结构，并且活性炭的质量为铁酸铋质量的1-8%。
10. 根据权利要求1-4中任一项所述的铁酸铋或其碳复合材料的光催化脱氮方法，其特征在于包括：在将水体中的氨氮充分降解放出氮气后，采用磁分离方式将铁酸铋和/或铁酸铋-碳复合材料从水体中分离出并重复使用。
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