CN111298821A - 利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用印染废水絮凝污泥制备新型铁‑氮‑碳催化剂的方法，铁‑氮‑碳催化剂是将碳材料经过非金属氮掺杂作为载体，负载有铁纳米颗粒或者氧化铁纳米颗粒，所述的铁‑氮‑碳催化剂中，氮含量为2～8％，铁或者氧化铁含量为0.1～5％，碳含量为88％～97％，铁或者氧化铁纳米颗粒直径的大小在0.1～10nm范围。本发明的利用印染废水絮凝污泥制备新型铁‑氮‑碳催化剂的方法，利用废水作为原料制备新型的铁‑氮‑碳催化剂用于高效催化过硫酸盐降解有机污染物。不需额外使用其他药剂，制备过程简单、成本低，且可以解决絮凝污泥的处理问题。氮掺杂碳材料本身对过硫酸盐具有好的催化激活作用，铁的存在能进一步提高其催化活性，从而能够进一步提高其催化能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种催化剂。特别是涉及一种利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法。
背景技术
环境污染是二十一世纪人类面临的最严峻问题之一。工业高速发展而相应环境保护措施不利导致的大量超标污水排放，连同生活污水中存在的大量有机物导致了环境水体的严重污染，危害着人类的身体健康以及社会的可持续发展。可溶性芳香化合物，包括苯酚类精细化工产品、抗生素类药物、农药等，由于苯环的稳定性，很难在生态系统中自然降解，并可以渗透污染地下水，进而危害各种生物以及人类的安全。有效且低成本的去除这些有机污染物一直以来都是环境和化工工作者的重要研究内容。
高级氧化技术(Advanced oxidation Processes,AOPs)是利用强氧化性的自由基来降解有机污染物使其最终完全矿化的水处理工艺，是一种高效的污水净化方法。其机理在于通过催化方法使氧化剂分解，从而产生强氧化性自由基，如羟基自由基(·OH)并诱发一系列的亲电或者亲核的氧化反应，攻击水中的各种有机污染物，使其降解直至为二氧化碳、水和其它矿物盐。常见的高级氧化技术包括芬顿(Fenton)氧化法、光催化氧化法、电化学氧化法等。芬顿(Fenton)氧化法是一种较常用的有效降解有机污染物的方法，而芬顿试剂的配制一般需要采用均相亚铁离子作为催化剂才具有很好的氧化能力，而此过程会产生大量的淤泥和固体废弃物。光催化氧化法需要高效的光催化剂才能实现，而且一般需要紫外光才能使污染物降解充分。电化学氧化法通常要求阳极具有较高的氧气逸出过电位，主要采用的阳极材料有石墨、铂/钛、以及二氧化铅/钛复合电极等，若想获得较强的氧化能力，需提供强直流电，耗能较高。
近年来，硫酸根自由基(Sulfate radical,SO4 ·-)为基础的高级氧化技术(SR-AOPs)在降解消除环境污染物方面受到了越来越多的关注。相比于芬顿试剂中作为氧化媒介的·OH，由过硫酸盐分解产生的SO4 ·-有多方面更优良的性质，例如更强的氧化能力(1.8-2.7V NHE vs 2.5V NHE(·OH))、更长的半衰期(30–40μs vs 20ns(·OH))、在复杂的水质环境中对污染物有更好的选择性氧化能力、并且适用于更宽的pH范围，在pH＝2～8范围内均能展现出良好的氧化能力，而芬顿试剂仅在pH≈3.0左右起氧化作用。此外，由于过硫酸盐是固体氧化剂，运输方便，且在水处理过程中不会引入额外的水，从而增加废水处理体积。除此之外，过硫酸盐还可以在非均相催化剂的作用下展现良好的氧化能力，而该过程的催化剂的回收利用方便，有利于降低成本，并且不会产生固体废弃物。
Co2+是较早研究的均相催化体系，可以有效的产生SO4 ·-用于氧化降解水中的有机污染物。但是钴离子属于重金属离子，其本身会对水体产生二次污染。非均相的氧化钴及其负载型Co/载体复合物也可以作为该反应的催化剂，但是无可避免也会有部分重金属Co析出进入水体中。碳材料来源丰富，且具有多种同素异形体，包括零维的碳量子点(CQDs)和富勒烯，一维的碳纳米管(CNTs)，二维的石墨烯(GR)，三维多孔的泡沫石墨(GF)等，这些碳材料在能源、环境等领域都有着广泛的应用。
上述碳材料经过非金属氮掺杂之后，也可以催化过硫酸盐用于有机污染物的降解，而氮掺杂碳材料中若含有少量铁元素，构建铁-氮-碳结构，可以进一步提高其催化活性。现有的铁-氮-碳材料一般需要将铁盐与含氮和碳的有机物混合，然后高温无氧碳化制备，成本较高。聚丙烯酰胺与铁盐是常见的有机废水处理絮凝剂，絮凝后的污泥，经过脱水处理后主要含有碳，氮及铁元素，是合成铁-氮-碳催化剂的理想材料，而且其来源丰富，还可以解决该类污泥处理问题，是一种极具潜力的催化剂绿色合成方案。
迄今为止尚未有见到利用该类污泥合成此类催化剂的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够高效催化过硫酸盐降解有机污染物的利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法，铁-氮-碳催化剂是将碳材料经过非金属氮掺杂作为载体，负载有铁纳米颗粒或者氧化铁纳米颗粒，所述的铁-氮-碳催化剂中，氮含量为2～8％，铁或者氧化铁含量为0.1～5％，碳含量为88％～97％，铁或者氧化铁纳米颗粒直径的大小在0.1～10nm范围。包括如下步骤：
1)利用絮凝—沉淀方法处理有机废水
选取含有有机物的印染废水，将质量为印染废水质量的0.005％～0.025％的聚丙烯酰胺，以及质量为印染废水质量的0.05％～0.125％的铁盐作为絮凝剂加入到所述的印染废水中，混合搅拌30min后，静置1h，过滤后得到含碳、氮和铁元素的滤饼；
2)铁-氮-碳催化剂的合成
将含碳，氮，铁元素的滤饼烘干后，置于管式炉中，在600～900℃温度下碳化2～5个小时，冷却后，用0.1mol/L盐酸溶液酸洗12h，清洗掉未被包覆的铁，并用去离子水洗涤，烘干后，得到最终的铁-氮-碳催化剂。
步骤1)所述印染废水的COD值为18000mg/L。
步骤1)所述的铁盐是无水氯化铁或者聚合硫酸铁。
本发明的利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法，利用废水作为原料制备新型的铁-氮-碳催化剂用于高效催化过硫酸盐降解有机污染物。不需额外使用其他药剂，制备过程简单、成本低，且可以解决絮凝污泥的处理问题。氮掺杂碳材料本身对过硫酸盐具有好的催化激活作用，铁的存在能进一步提高其催化活性，从而能够进一步提高其催化能力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法做出详细说明。
本发明的利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法，是将碳材料经过非金属氮掺杂作为载体，负载有铁纳米颗粒或者氧化铁纳米颗粒，所述的铁-氮-碳催化剂中，氮含量为2～8％，铁或者氧化铁含量为0.1～5％，碳含量为88％～97％，铁或者氧化铁纳米颗粒直径的大小在0.1～10nm范围。包括如下步骤：
1)利用絮凝—沉淀方法处理有机废水
选取含有有机物的印染废水，将质量为印染废水质量的0.005％～0.025％的聚丙烯酰胺，以及质量为印染废水质量的0.05％～0.125％的铁盐作为絮凝剂加入到所述的印染废水中，所述的铁盐是氯化铁或者聚合硫酸铁，混合搅拌30min后，静置1h，过滤后得到含碳、氮和铁元素的滤饼；
本发明中所述印染废水的COD值为18000mg/L。
2)铁-氮-碳催化剂的合成
将含碳，氮，铁元素的滤饼烘干后，置于管式炉中，在600～900℃温度下碳化2～5个小时，冷却后，用0.1mol/L盐酸溶液酸洗12h，清洗掉未被包覆的铁，并用去离子水洗涤，烘干后，得到最终的铁-氮-碳催化剂。
下面给出具体实例
实例1
取4000g COD值为18000mg/L的印染废水，加入5g聚合硫酸铁和1g聚丙烯酰胺作为絮凝剂，混合搅拌30min后，静止1个小时后过滤，过滤后印染废水的COD值为350mg/L，所得滤饼烘干后质量为11.5g；将烘干后的滤饼置于管式炉中，以5℃/min的速度升至800℃，在该温度保持2个小时后，自然冷却至室温；将所得固体，置于500mL 0.1mol/L盐酸溶液中12h，过滤，清洗掉未被包覆的铁，并用去离子水洗涤2遍后，烘干，得铁-氮-碳催化剂2.5g(该催化剂的铁含量为2％，氮含量为8％，碳含量为89.6％)。
本实例的应用：利用过硫酸钠(0.1g)作为氧化剂，取10mg该实例制备的铁-氮-碳催化剂，可以在8分钟内将100mL50ppm的苯酚水溶液中的苯酚完全降解。
实例2
取4000g COD值为18000mg/L的印染废水，向其中加入5g聚合硫酸铁和0.2g聚丙烯酰胺作为絮凝剂，混合搅拌30min后，静止1个小时后过滤，过滤后印染废水的COD值为300mg/L，所得滤饼烘干后质量为10.5g；将烘干后的滤饼置于管式炉中，以5℃/min的速度升至800℃，在该温度保持2个小时后，自然冷却至室温；将所得固体，置于500mL 0.1mol/L盐酸溶液中12h，过滤，清洗掉未被包覆的铁，并用去离子水洗涤2遍后，烘干，得铁-氮-碳催化剂2.9g(该催化剂的铁含量为2.6％，氮含量为2％，碳含量为95.1％)。
本实例的应用：利用过硫酸钠(0.1g)作为氧化剂，取10mg该实例制备的铁-氮-碳催化剂，可以在10分钟内将100mL50ppm的苯酚水溶液中的苯酚完全降解。
实施例3
取4000g COD值为18000mg/L的印染废水，向其中加入5g聚合硫酸铁和0.4g聚丙烯酰胺作为絮凝剂，混合搅拌30min后，静止1个小时后过滤，过滤后印染废水的COD值为300mg/L，所得滤饼烘干后质量为10.9g；然后将烘干后的滤饼置于管式炉中，以5℃/min的速度升至800℃，在该温度保持2个小时后，自然冷却至室温；将所得固体，置于500mL0.1mol/L盐酸溶液中12h，过滤，清洗掉未被包覆的铁，并用去离子水洗涤2遍后，烘干，得铁-氮-碳催化剂3.1g(该催化剂的铁含量为2.6％，氮含量为2.4％，碳含量为94.8％)。
本实例的应用：利用过硫酸钠(0.1g)作为氧化剂，取10mg该实例制备的铁-氮-碳催化剂，可以在10分钟内将100mL50ppm的苯酚水溶液中的苯酚完全降解。
实施例4
取4000g COD值为18000mg/L的印染废水，向其中加入3.5g无水氯化铁和0.4g聚丙烯酰胺作为絮凝剂，混合搅拌30min后，静止1个小时后过滤，过滤后印染废水的COD值为240mg/L，所得滤饼烘干后质量为11.0g；然后将烘干后的滤饼置于管式炉中，以5℃/min的速度升至750℃，在该温度保持2个小时后，自然冷却至室温；将所得固体，置于500mL0.1mol/L盐酸溶液中12h，过滤，清洗掉未被包覆的铁，并用去离子水洗涤2遍后，烘干，得铁-氮-碳催化剂2.7g(该催化剂的铁含量为4.9％，氮含量为4.8％，碳含量为89.9％)。
本实例的应用：利用过硫酸钠(0.1g)作为氧化剂，取10mg该实例制备的铁-氮-碳催化剂，可以在9.5分钟内将100mL 50ppm的苯酚水溶液中的苯酚完全降解。
实施例5
取4000g COD值为18000mg/L的印染废水，向其中加入3.5g无水氯化铁和1g聚丙烯酰胺作为絮凝剂，混合搅拌30min后，静止1个小时，过滤，过滤后印染废水的COD值为330mg/L，所得滤饼烘干后质量为9.6g；然后将烘干后的滤饼置于管式炉中，以5℃/min的速度升至750℃，在该温度保持2个小时后，自然冷却至室温；将所得固体，置于500mL 0.1mol/L盐酸溶液中12h，过滤，清洗掉未被包覆的铁，并用去离子水洗涤2遍后，烘干，得铁-氮-碳催化剂2.1g(该催化剂的铁含量为0.5％，氮含量为6.2％，碳含量为93.1％)。
本实例的应用：利用过硫酸钠(0.1g)作为氧化剂，取10mg该实例制备的铁-氮-碳催化剂，可以在8.5分钟内将100mL 50ppm的苯酚水溶液中的苯酚完全降解。
实施例6
取4000g COD值为18000mg/L的印染废水，向其中加入2g无水氯化铁和1g聚丙烯酰胺作为絮凝剂，混合搅拌30min后，静止1个小时，过滤，过滤后印染废水的COD值为310mg/L，所得滤饼烘干后质量为10.1g；然后将烘干后的滤饼置于管式炉中，以5℃/min的速度升至750℃，在该温度保持2个小时后，自然冷却至室温；将所得固体，置于500mL 0.1mol/L盐酸溶液中12h，过滤，清洗掉未被包覆的铁，并用去离子水洗涤2遍后，烘干，得铁-氮-碳催化剂2.8g(该催化剂的铁含量为0.9％，氮含量为6.4％，碳含量为92.6％)。
本实例的应用：利用过硫酸钠(0.1g)作为氧化剂，取10mg该实例制备的铁-氮-碳催化剂，可以在9.5分钟内将100mL 50ppm的苯酚水溶液中的苯酚完全降解。
实施例7
取4000g COD值为18000mg/L的印染废水，向其中加入2g无水氯化铁和0.2g聚丙烯酰胺作为絮凝剂，混合搅拌30min后，静止1个小时，过滤，过滤后印染废水的COD值为370mg/L，所得滤饼烘干后质量为9.1g；然后将烘干后的滤饼置于管式炉中，以5℃/min的速度升至750℃，在该温度保持2个小时后，自然冷却至室温；将所得固体，置于500mL 0.1mol/L盐酸溶液中12h，过滤，清洗掉未被包覆的铁，并用去离子水洗涤2遍后，烘干，得铁-氮-碳催化剂2.0g(该催化剂的铁含量为0.5％，氮含量为2％，碳含量为97.1％)。
本实例的应用：利用过硫酸钠(0.1g)作为氧化剂，取10mg该实例制备的铁-氮-碳催化剂，可以在10分钟内将100mL50ppm的苯酚水溶液中的苯酚完全降解。
Claims (4)
1.一种利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法，其特征在于，铁-氮-碳催化剂是将碳材料经过非金属氮掺杂作为载体，负载有铁纳米颗粒或者氧化铁纳米颗粒，所述的铁-氮-碳催化剂中，氮含量为2～8％，铁或者氧化铁含量为0.1～5％，碳含量为88％～97％，铁或者氧化铁纳米颗粒直径的大小在0.1～10nm范围。
2.根据权利要求1所述的利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用絮凝—沉淀方法处理有机废水
选取含有有机物的印染废水，将质量为印染废水质量的0.005％～0.025％的聚丙烯酰胺，以及质量为印染废水质量的0.05％～0.125％的铁盐作为絮凝剂加入到所述的印染废水中，混合搅拌30min后，静置1h，过滤后得到含碳、氮和铁元素的滤饼；
2)铁-氮-碳催化剂的合成
将含碳，氮，铁元素的滤饼烘干后，置于管式炉中，在600～900℃温度下碳化2～5个小时，冷却后，用0.1mol/L盐酸溶液酸洗12h，清洗掉未被包覆的铁，并用去离子水洗涤，烘干后，得到最终的铁-氮-碳催化剂。
3.根据权利要求2所述的利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法，其特征在于，步骤1)所述印染废水的COD值为18000mg/L。
4.根据权利要求2所述的利用印染废水絮凝污泥制备新型铁-氮-碳催化剂的方法，其特征在于，步骤1)所述的铁盐是无水氯化铁或者聚合硫酸铁。
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