CN106268819A - 活性炭‑铁酸钴复合材料、其制备方法及光催化脱氮用途 - Google Patents

活性炭‑铁酸钴复合材料、其制备方法及光催化脱氮用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了活性炭‑铁酸钴复合材料、其制备方法及光催化脱氮用途。所述活性炭‑铁酸钴复合材料包括活性炭和铁酸钴，其中所述铁酸钴为尖晶石型结构，且所述铁酸钴具有Fd3m空间群结构。本发明提供的活性炭‑铁酸钴复合材料中不仅活性炭可以通过自身的吸附性能吸附水体中的氨氮，还可以通过过渡金属的空轨道与氨氮形成配位键，从而实现对水体氨氮的双效吸附，进而在富集氨氮的基础上选择性地光催化降解氨氮，实现污染水体的智能光催化脱氮，并且所述活性炭‑铁酸钴复合材料的制备方法简单，条件易控，原料廉价易得。

Description

活性炭-铁酸钴复合材料、其制备方法及光催化脱氮用途
技术领域
本发明涉及一种复合材料，特别涉及一种活性炭-铁酸钴复合材料及其选择性地光催化脱氮中的应用，属于光催化技术领域。
背景技术
2007年太湖蓝藻污染事件引起全国对氨氮污染的高度关注，氨氮处理方法分为生物法、物理法和化学法。目前，低浓度的氨氮(<100mg/L)可以通过硝化-反硝化工艺脱氮，硝化作用分为氨氧化和亚硝酸氧化，形成的硝酸盐通过反硝化变成气体排出达到脱氮效果。但是在高氨氮重污染条件下，由于细菌对气候、温度、有机物、溶解氧等因素非常敏感，该方法成本高，管理维护的投入高，因此需要开发新的脱氮工艺。
随着科学技术的发展，研究人员探索利用半导体材料(主要为TiO2)作为光催化剂来降解氨氮，但这些研究工作为开发太阳能净化环境作出了积极的尝试，但是光催化降解氨氮缺乏选择性，而且TiO2只能利用太阳能中的紫外光，不能利用其可见光，因此太阳能的利用率不高。
因此，需要开发高效高选择性的光催化剂，以便快速、稳定、持久、廉价、清洁地实现脱氮的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种活性炭-铁酸钴复合材料及其于光催化脱氮中的应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了活性炭-铁酸钴复合材料，其包括活性炭和铁酸钴，所述铁酸钴分布于所述活性炭的表面和/或孔洞内，其中所述铁酸钴为尖晶石型结构，且所述铁酸钴具有Fd3m空间群结构。
本发明实施例还提供了所述活性炭-铁酸钴复合材料的制备方法。
本发明实施例还提供了所述活性炭-铁酸钴复合材料于光催化脱氮中的用途。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)提供的活性炭-铁酸钴复合材料中活性炭不仅可以通过自身的吸附性能可以吸附水体中的氨氮，还可以通过化学键使活性炭与氨氮弱结合从而实现水体氨氮的双效吸附，从而实现水体中氨氮的高效脱除，进而，所述活性炭-铁酸钴复合材料还可将水体氨氮直接氧化为氮气，不会产生二次污染，且所述催化剂在重复光催化脱氮5-10次后继续使用时，对于氨氮的脱除氮率仍在90％以上。
(2)提供的活性炭-铁酸钴复合材料的制备方法简单，条件易控，且原料廉价易得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中制得的活性炭-铁酸钴复合材料催化剂降解氨氮的光催化降解曲线图；
图2是本发明对比例1中在氨氮和罗丹明B同时存在情况下活性炭-铁酸钴复合材料选择性地降解氨氮的光催化降解曲线图；
图3是本发明对比例2中在氨氮和甲基橙同时存在情况下活性炭-铁酸钴复合材料选择性地降解氨氮的光催化降解曲线图；
图4是本发明实施例1中制得的活性炭-铁酸钴复合材料重复使用8次的脱氮效率与脱氮时间的关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例提供了一种活性炭-铁酸钴复合材料，其包括活性炭和铁酸钴，所述铁酸钴分布于所述活性炭的表面或孔洞内，其中所述铁酸钴为尖晶石型结构，且所述铁酸钴具有Fd3m空间群结构。
进一步的，所述铁酸钴晶体中氧离子是按面心立方结构分布的，相邻的4个氧离子中心连线可获得四面体结构和/或相邻8个氧离子连接为八面体结构，钴离子占据四面体的间隙，铁离子占据八面体的间隙。
进一步的，所述复合材料中铁酸钴的质量百分比含量为90-100％，活性炭的质量百分比含量为0％-10％。
本发明实施例还提供了所述活性炭-铁酸钴复合材料于光催化脱氮中的用途。
进一步的，所述的用途包括：将活性炭-铁酸钴复合材料加入可能含有氨氮的水体并形成混合体系，且使活性炭-铁酸钴复合材料充分吸附水体中的氨氮，再以可见光照射形成的混合体系，使水体中的氨氮被降解为N2气，实现水体中氨氮的脱除。
较为优选的，调节所述混合体系至呈碱性，再以可见光照射所述混合体系，实现水体中氨氮的脱除。
更为优选的，将所述混合体系至pH值大于9，优选大于10.5，再以可见光照射所述混合体系，实现水体中氨氮的脱除。
本发明实施例还提供了所述活性炭-铁酸钴复合材料的制备方法包括：将可溶性钴盐、可溶性铁盐与活性炭溶解于溶剂中混合均匀，之后调节所获混合溶液为碱性，再将所述混合溶液于150-200℃条件下反应6-10h，制得所述活性炭-铁酸钴复合材料。
进一步的，所述可溶性钴盐与可溶性铁盐的摩尔比为1：1-3。
较为优选的，所述的可溶性钴盐包括CoCl2·6H2O，但不限于此。
较为优选的，所述的可溶性铁盐包括Fe(NO3)3·9H2O，但不限于此。
较为优选的，所述的碱性溶液包括NaOH溶液，但不限于此。
进一步的，将所述混合溶液于温度为180-200℃的条件下反应8-10h，之后用去离子水洗涤，然后将其置于温度为40-80℃的真空干燥箱内干燥，即制得所述的活性炭-铁酸钴复合材料。
本发明提供的活性炭-铁酸钴复合材料包括活性炭和铁酸钴，其中活性炭可以通过自身的吸附性能高效吸附水体中的氨氮，铁酸钴通过过渡金属的空轨道与氨氮形成配位键，从而实现对水体氨氮的双效吸附，进而在富集氨氮的基础上选择性地将氨氮光催化降解为氮气，实现污染水体的智能光催化脱氮，且不会产生二次污染。以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
实施例1
铁酸钴(CoFe2O4)的合成：按摩尔比1:2准确称量CoCl2·6H2O(1.1897g,0.005mol)、Fe Cl3·9H2O(2.703g,0.01mol)分别溶解于10ml去离子水，准确称量NaOH(1.9200g,0.048mol)溶解于10ml去离子水中。在磁力搅拌条件下将NaOH缓慢逐滴加入到混合溶液中，再用去离子水洗涤烧杯中残留的NaOH并加至混合溶液中。继续搅拌20min使其混合均匀，此时溶液总体积大约为50ml左右。然后将混合溶液加入100ml的水热反应釜中，用去离子水润洗烧杯内的残留液，并加入反应釜内，控制反应釜内的总体积为60ml左右，然后将反应釜置于180℃的条件下反应8h，冷却后，取出并静置，用去离子水洗涤3-4次，然后将其置于60℃的真空干燥箱内干燥24h，即得样品CoFe2O4。
活性炭-铁酸钴的合成：按摩尔比1:2准确称量CoCl2·6H2O(1.1897g,0.005mol)FeCl3·9H2O(2.703g,0.01mol)分别溶解于10ml去离子水，再称取活性炭(0.0486g,CoFe2O4质量的6％)超声溶解于10ml去离子水中，在磁力搅拌作用下将前两者缓慢加入活性炭溶液中，搅拌30min混合均匀。准确称量NaOH(1.6000g,0.04mol)溶解于10mL去离子水中。在磁力搅拌条件下将NaOH缓慢逐滴加入到混合溶液中，再用去离子水洗涤烧杯中残留的NaOH并加至混合溶液中。继续搅拌20min使其混合均匀，此时溶液总体积大约为50ml左右。然后将混合溶液加入100mL的水热反应釜中，用去离子水润洗烧杯内的残留液，并加入反应釜内，控制反应釜内的总体积为60mL左右，然后将反应釜置于180℃的条件下反应8h，冷却后，取出并静置， 用去离子水洗涤3-4次，然后将其置于60℃的真空干燥箱内干燥24h，即得样品活性炭-铁酸钴。
纳氏试剂的配制：准确称取16gNaOH，溶于40ml水，充分冷却至室温。称取10g HgI2和7g KI超声混合溶解于40ml水中。然后将此混合溶液在不断搅拌条件下缓慢注入NaOH溶液中，稀释并定容至100ml，密封保存于100ml容量瓶。氨氮与纳氏试剂的显色机理如下：
NH4 ++2[HgI4]2-(Yellow)+4HO-→HgO·Hg(NH2)I(Brown)+7I-+3H2O(1)
掩蔽剂的配制：准确称取50g酒石酸钾钠溶于100ml中水中，加热煮沸，冷却到室温，加水定容至100ml，密封保存于100ml容量瓶。
通过纳氏试剂比色法，在波长388nm处能测得氨氮的吸收强度，从而分析氨氮的浓度变化来研究催化剂降解氨氮最佳条件。
氨氮的降解：用50mL烧杯作为光催化降解氨氮的反应装置，在室温(25℃±2℃)下进行催化降解实验，烧杯杯壁用锡箔纸包围以避免杂散光辐射。用滤波片覆盖在反应器上端，让可见光λ>400nm通过。反应器中装入50ml的氨氮溶液，浓度为100mg/L,用Na2CO3-NaHCO3(0.1mol/L)作为缓冲溶液来调节反应液的pH值，加入约0.1g活性炭-铁酸钴催化剂进行催化降解实验。反应液与光源的垂直距离约为10cm。反应过程中氨氮含量的测定采用纳氏试剂比色法。利用紫外可见分光光度计测定氨氮溶液在纳氏试剂显色下在波长388nm的吸收度，以此跟踪氨氮，参见图1，经过8h的降解，氨氮的降解率仍达90％以上。在8次循环降解氨氮后，氨氮去除率仍在85％以上，参见图4。
对比例1
其他反应步骤和条件均与实施例1相同，不同之处在于：
光催化选择性降解氨氮的实验中反应器中同时加入50ml的氨氮溶液和罗丹明B(其中，氨氮的浓度为100mg/L，罗丹明B的浓度为100mg/L)，利用紫外可见分光光度计测定溶液的吸收度，参见图2，经过8小时的降解过程罗丹明B的降解率仅为25％，体系中残余浓度仍大于75mg/L，而氨氮的降解率仍大于85％。
对比例2
其他反应步骤和条件均与实施例1相同，不同之处在于：
光催化选择性降解氨氮的实验中反应器中同时加入50ml的氨氮溶液和甲基橙(其中，氨氮的浓度为100mg/L，甲基橙的浓度为100mg/L)，利用紫外可见分光光度计测定溶液的吸收度，参见图3，经过8小时的降解过程罗丹明B的降解率仅为20％，体系中残余浓度仍大于80mg/L，而氨氮的降解率仍大于85％。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.活性炭-铁酸钴复合材料于光催化脱氮中的用途，所述活性炭-铁酸钴复合材料包括活性炭和铁酸钴，所述铁酸钴分布于所述活性炭的表面和/或孔洞内，其中所述铁酸钴为尖晶石型结构，且所述铁酸钴具有Fd3m空间群结构。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述铁酸钴晶体中氧离子是按面心立方结构分布的，相邻的4个氧离子中心连线可获得四面体结构和/或相邻8个氧离子连接为八面体结构，钴离子占据四面体的间隙，铁离子占据八面体的间隙；和/或，所述复合材料中铁酸钴的质量百分比为90-100％，活性炭的质量百分比为0％-10％。
3.根据权利要求1所述的用途，其特征在于包括：将活性炭-铁酸钴复合材料加入可能含有氨氮的水体并形成混合体系，且使活性炭-铁酸钴复合材料充分吸附水体中的氨氮，再以可见光照射形成的混合体系，使水体中的氨氮被降解为N2气，实现水体中氨氮的脱除。
4.根据权利要求3所述的用途，其特征在于包括：调节所述混合体系至呈碱性，再以可见光照射所述混合体系，实现水体中氨氮的脱除。
5.根据权利要求3所述的用途，其特征在于包括：将所述混合体系至pH值大于9，优选大于10.5，再以可见光照射所述混合体系，实现水体中氨氮的脱除。
6.一种活性炭-铁酸钴复合材料，其特征在于包括活性炭和铁酸钴，所述铁酸钴分布于所述活性炭的表面和/或孔洞内，其中所述铁酸钴为尖晶石型结构，且所述铁酸钴具有Fd3m空间群结构。
7.根据权利要求6所述的活性炭-铁酸钴复合材料，其特征在于：所述铁酸钴晶体中氧离子是按面心立方结构分布的，相邻的4个氧离子中心连线可获得四面体结构和/或相邻8个氧离子连接为八面体结构，钴离子占据四面体的间隙，铁离子占据八面体的间隙；和/或，所述复合材料中铁酸钴的质量百分比为90-100％，活性炭的质量百分比为0％-10％。
8.一种活性炭-铁酸钴复合材料的制备方法，其特征在于：将可溶性钴盐、可溶性铁盐与活性炭溶解于溶剂中混合均匀，之后调节所获混合溶液为碱性，再将混合溶液于150-200℃条件下反应6-10h，制得所述活性炭-铁酸钴复合材料。
9.根据权利要求8所述的活性炭-铁酸钴复合材料的制备方法，其特征在于：所述可溶性钴盐与可溶性铁盐的摩尔比为1：1-3；和/或，所述的可溶性钴盐包括CoCl2·6H2O；和/或，所述的可溶性铁盐包括Fe(NO3)3·9H2O；和/或，所述的碱性溶液包括NaOH溶液。
10.根据权利要求8所述的活性炭-铁酸钴复合材料的制备方法，其特征在于：将所述混合液置于温度为180-200℃的条件下反应8-10h，之后用去离子水洗涤，然后将其置于温度为40-80℃的真空干燥箱内干燥，即制得所述的活性炭-铁酸钴复合材料。
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