CN109796059A - 一种利用光催化技术净化有机废水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光催化技术净化有机废水的方法，包括步骤一，光催化剂制备；步骤二，光催化剂表征；步骤三，光催化剂评价；步骤四，有机废水净化；制备纯相g‑CsN和膨胀石墨；对g‑C3N4和膨胀石墨进行固体混合热处理制备g‑C3N4/EG光催化剂；对固体g‑C3N4进行溶胶处理后负载在EG上以制备得到g‑C3N4/EG光催化剂；该利用光催化技术净化有机废水的方法，为弥补单一组份g‑C3N4光催化性能差的缺陷，提出将g‑C3N4与膨胀石墨复合，得到高效的光催化剂；通过对纯相g‑C3N4和复合后的g‑C3N4/EG光催化剂进行表征结果及性能评价结果的综合对比分析，得出光催化剂反应机理。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，具体为一种利用光催化技术净化有机废水的方法。
背景技术
水是人类赖以生存发展的重要环境资源之一，而我国是一个水资源相对匮乏的国家：此外，工业化、城镇化进程的加快导致的水环境恶化，又进一步激发了我国水资源供需不平衡的矛盾。当前，传统的有机废水处理方法包括吸附法、化学法、电解法和生物法等.这些方法或由于不能完全去除污染物，或需要引入化学试剂，又或者成本过高等原因，并不能作为高效的有机废水处理方法。
作为唯一一种可以从真正意义上取代化石能源的能量来源，太阳能同时具备了可再生性和碳中和性，因此对太阳能的直接转化和利用是当今时代最重要的科学挑战之一，也是新型清洁能源和污染治理的发展方向。与有机废水处理的传统技术相比，光催化技术，一种利用光辐射作为诱发条件，通过生成羟基自由基(-OH)和超氧自由基(-O2 -)等活性组分，进而在光催化剂表面发生氧化还原反应的高级氧化技术，近年来被广泛用于环境净化等应用研究领域。
在光催化领域，常见的光催化剂为以二氧化钛(TiO2)为代表的半导体物质，其中二氧化钛(TiO2)的重要性毋庸置疑。然而，TiO2这类宽禁带的光催化剂仅能被紫外线或近紫外线激发，这就意味着太阳光谱中的可见光部分(43％)得不到有效利用。近年来，开发可见光响应的光催化剂成为主流研究趋势。氮化碳是一类新兴的，仅由碳和氮两种元素组成的有机半导体材料，这种材料由于具有良好的生物兼容性，热稳定性，耐化学性和耐磨性等品质，受到了越来越多研究人员的青睐。此外，由于氮化碳的构造单元(图1)中包含了氮原子孤电子对和共轭π键，使得这种材料具有2D类石墨烯的独特的电子结构。在氮化碳这一名称下存在着多个同素异形体，其中以石墨相形式存在的氮化碳(g-C3N4)被广泛认为是大气环境下最稳定的形式。石墨相氮化碳是一个具有中等禁带宽度的n型半导体，因此可以吸收可见光并将之转化为化学能，是极具应用前最的光催化材料之一。
然而在实际应用过程中，g-C3N4的效率被其过小的比表面积大大的限制了。基于炭基材料强大的吸附和催化能力，在实际进行的污染防治技术中多偏重此类材料。常用的炭基材料主要有活性炭、活性焦、活性炭纤维以及碳纳米管等，除了这些常规的碳材料外，近年来兴起的几种新型碳材料，石墨烯、碳纳米量子点特别是膨胀石墨等，在污染防治技术中都有良好的应用前景。
理想的光催化剂应具备成本低、无毒稳定和效率高等优势。石墨相氮化碳①其制备前驱体是尿素，因此成本低廉；②带隙结构使得其具有宽范围的光吸收性能，可以被可见光激发：使得石墨相氮化碳成为极具应用前景的可见光催化剂。但单一组分的石墨相氮化碳比表面积小且光生载流子复合率高，这就导致了其实际应用被极大地限制。高温膨化得到的膨胀石墨，具有极强的电导率、丰富的孔结构以及沿C轴方向高倍地膨胀的物理结构，是具有极大的比表面积和优良的吸附性能的导体，在环境保护领域有广泛的用途。膨胀石墨的孔容积占98％左右，孔结构以大孔、中孔为主，所以与活性炭等微孔材料相比，更适用于液相吸附。膨胀石墨在液相吸附中亲油疏水，且化学安稳定性好，又可再生复用因此有良好的应用前景。故而为弥补单一组份g-C3N4光催化性能差的缺陷，提出将g-C3N4与膨胀石墨复合的一种利用光催化技术净化有机废水的方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用光催化技术净化有机废水的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种利用光催化技术净化有机废水的方法，包括步骤一，光催化剂制备；步骤二，光催化剂表征；步骤三，光催化剂评价；步骤四，有机废水净化；
其中在上述步骤一中，光催化剂制备包括以下步骤：
1)制备纯相g-C3N4和膨胀墨：以天然鳞片石墨为前驱体，利用氧化剂制备膨胀石墨，以尿素作为前驱体，通过热解法制备g-C3N4；
2)将固体g-C3N4和膨胀石墨在甲醇溶液中进行超声分散、混合，对混合后的固体进行热处理得到g-C3N4/EG光催化剂，考察光催化剂体系中两相的比例对光催化剂性能的影响；
3)将固体g-C3N4在酸性溶液中进行质子化得到胶体溶液，并对膨胀石墨进行负载以制备得到g-C3N4/EG光催化剂；
其中在上述步骤二中，对制备得到光催化剂进行结构和物化性质的表征，分析g-C3N4和膨胀石墨的结合形式；
其中在上述步骤三中，对光催化剂在光催化降解黑臭水体反应中的催化性能和稳定性进行评价；并结合表征结果研究g-C3N4与膨胀石墨之间的光生载流子分离效应及组分间的相互协同效应；
其中在上述步骤四中，将制备成功的复合光氧化剂投入有机废水中，利用具有疏松多孔蠕虫状结构的膨胀石墨作为催化剂负载，可以有效吸附污染物至反应活性中心，且三维孔隙结构能保障光线穿透，为光催化剂提供良好的光降解环境；同时膨胀石墨的光电性质有助于电荷的传递，降低光生电子与空穴的复合几率，从而提高光催化剂的降解效率。
根据上述技术方案，所述步骤一1)中，氧化剂为浓硫酸和重铬酸钾的混合物。
根据上述技术方案，所述步骤一1)中，膨胀石墨的巨大比表面积为180-300m2/g。
根据上述技术方案，所述步骤一3)中，酸性溶液为盐酸(HCl)溶液。
根据上述技术方案，所述步骤二中，光催化剂的表征包括表面形貌、品型、分子/电子结构。
根据上述技术方案，所述步骤三中，黑臭水体由实地采样获得。
根据上述技术方案，所述步骤三中，对光催化剂在光催化降解黑臭水体的反应在常温常压下进行。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：该利用光催化技术净化有机废水的方法，为弥补单一组份g-C3N4光催化性能差的缺陷，提出将g-C3N4与膨胀石墨复合，得到高效的光催化剂；通过对纯相g-C3N4和复合后的g-C3N4/EG光催化剂进行表征结果及性能评价结果的综合对比分析，得出光催化剂反应机理。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种利用光催化技术净化有机废水的方法，包括步骤一，光催化剂制备；步骤二，光催化剂表征；步骤三，光催化剂评价；步骤四，有机废水净化；
其中在上述步骤一中，光催化剂制备包括以下步骤：
1)制备纯相g-C3N4和膨胀墨：以天然鳞片石墨为前驱体，利用氧化剂制备膨胀石墨，以尿素作为前驱体，通过热解法制备g-C3N4；
2)将固体g-C3N4和膨胀石墨在甲醇溶液中进行超声分散、混合，对混合后的固体进行热处理得到g-C3N4/EG光催化剂，考察光催化剂体系中两相的比例对光催化剂性能的影响；
3)将固体g-C3N4在酸性溶液中进行质子化得到胶体溶液，并对膨胀石墨进行负载以制备得到g-C3N4/EG光催化剂；
其中在上述步骤二中，对制备得到光催化剂进行结构和物化性质的表征，分析g-C3N4和膨胀石墨的结合形式；
其中在上述步骤三中，对光催化剂在光催化降解黑臭水体反应中的催化性能和稳定性进行评价；并结合表征结果研究g-C3N4与膨胀石墨之间的光生载流子分离效应及组分间的相互协同效应；
其中在上述步骤四中，将制备成功的复合光氧化剂投入有机废水中，利用具有疏松多孔蠕虫状结构的膨胀石墨作为催化剂负载，可以有效吸附污染物至反应活性中心，且三维孔隙结构能保障光线穿透，为光催化剂提供良好的光降解环境；同时膨胀石墨的光电性质有助于电荷的传递，降低光生电子与空穴的复合几率，从而提高光催化剂的降解效率。
根据上述技术方案，步骤一1)中，氧化剂为浓硫酸和重铬酸钾的混合物。
根据上述技术方案，步骤一1)中，膨胀石墨的巨大比表面积为180-300m2/g。
根据上述技术方案，步骤一3)中，酸性溶液为盐酸(HCl)溶液。
根据上述技术方案，步骤二中，光催化剂的表征包括表面形貌、品型、分子/电子结构。
根据上述技术方案，步骤三中，黑臭水体由实地采样获得，保证了实验的严谨性。
根据上述技术方案，步骤三中，对光催化剂在光催化降解黑臭水体的反应在常温常压下进行。
基于上述，该发明的优点在于，石墨相氮化碳是一个具有中等禁带宽度的n型半导体，因此可以吸收可见光并将之转化为化学能，是极具应用前景的光催化材料之一；将具有疏松多孔蠕虫状结构的膨胀石墨作为催化剂负载，可以有效吸附污染物至反应活性中心，且三维孔隙结构能保障光线穿透，为光催化剂提供良好的光降解环境；同时膨胀石墨的光电性质有助于电荷的传递，降低光生电子与空穴的复合几率，从而提高光催化剂的降解效率，即光催化剂的识别元件与载体膨胀石墨能产生高的光催化协同效应；通过对两种材料进行复合形成复合型光催化剂，达到了综合提高光催比剂性能的目的。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用光催化技术净化有机废水的方法，包括步骤一，光催化剂制备；步骤二，光催化剂表征；步骤三，光催化剂评价；步骤四，有机废水净化；其特征在于：
其中在上述步骤一中，光催化剂制备包括以下步骤：
1)制备纯相g-C3N4和膨胀墨：以天然鳞片石墨为前驱体，利用氧化剂制备膨胀石墨，以尿素作为前驱体，通过热解法制备g-C3N4；
2)将固体g-C3N4和膨胀石墨在甲醇溶液中进行超声分散、混合，对混合后的固体进行热处理得到g-C3N4/EG光催化剂，考察光催化剂体系中两相的比例对光催化剂性能的影响；
3)将固体g-C3N4在酸性溶液中进行质子化得到胶体溶液，并对膨胀石墨进行负载以制备得到g-C3N4/EG光催化剂；
其中在上述步骤二中，对制备得到光催化剂进行结构和物化性质的表征，分析g-C3N4和膨胀石墨的结合形式；
其中在上述步骤三中，对光催化剂在光催化降解黑臭水体反应中的催化性能和稳定性进行评价；并结合表征结果研究g-C3N4与膨胀石墨之间的光生载流子分离效应及组分间的相互协同效应；
其中在上述步骤四中，将制备成功的复合光氧化剂投入有机废水中，利用具有疏松多孔蠕虫状结构的膨胀石墨作为催化剂负载，可以有效吸附污染物至反应活性中心，且三维孔隙结构能保障光线穿透，为光催化剂提供良好的光降解环境；同时膨胀石墨的光电性质有助于电荷的传递，降低光生电子与空穴的复合几率，从而提高光催化剂的降解效率。
2.根据权利要求1所述的一种利用光催化技术净化有机废水的方法，其特征在于：所述步骤一1)中，氧化剂为浓硫酸和重铬酸钾的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种利用光催化技术净化有机废水的方法，其特征在于：所述步骤一1)中，膨胀石墨的巨大比表面积为180-300m2/g。
4.根据权利要求1所述的一种利用光催化技术净化有机废水的方法，其特征在于：所述步骤一3)中，酸性溶液为盐酸(HCl)溶液。
5.根据权利要求1所述的一种利用光催化技术净化有机废水的方法，其特征在于：所述步骤二中，光催化剂的表征包括表面形貌、品型、分子/电子结构。
6.根据权利要求1所述的一种利用光催化技术净化有机废水的方法，其特征在于：所述步骤三中，黑臭水体由实地采样获得。
7.根据权利要求1所述的一种利用光催化技术净化有机废水的方法，其特征在于：所述步骤三中，对光催化剂在光催化降解黑臭水体的反应在常温常压下进行。
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