CN112499741A - 单原子催化剂作为废水处理絮凝剂的应用 - Google Patents

单原子催化剂作为废水处理絮凝剂的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于单原子催化剂技术领域，涉及单原子催化剂在环保领域的应用。单原子催化剂作为废水处理絮凝剂的应用，所述的单原子催化剂由载体和过渡金属组成，所述载体为无机钙基载体、无机硅基载体、无机铝基载体和无机钛基载体中的任一一种；所述过渡金属选自第一过渡至第二过渡金属中的一种或多种；所述过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。与传统的水处理絮凝剂相比，单原子催化剂具有更为优异的絮凝效果。单原子催化剂无需任何辅助条件，自身可以高效地絮凝水体中的悬浮物，产生体积较大的，质量比水重的颗粒物，使其快速沉降至水底。从而达到去除悬浮物的目的，对环境无污染，对生物体无副作用。

Description

单原子催化剂作为废水处理絮凝剂的应用
技术领域
本发明属于单原子催化剂技术领域，涉及单原子催化剂在环保领域的应用。
背景技术
近年来，单原子催化剂迅速发展为学领域最热门的前沿领域，在科学领域掀起一股热烈地研究热潮。单原子催化剂顾名思义是指孤立的单个原子分散在载体上的催化剂，单原子催化剂因为其具有将近100％的原子利用率、活性位点方便调节、容易与反应物分离等优势被认为是沟通均相催化剂和非均相催化剂的桥梁。目前，单原子催化剂在一系列反应，如水煤气转换、加氢、电解水、氧还原等反应中表现出卓越的活性、选择性和稳定性，并且通过设计单原子催化剂可以有效降低金属的负载量，提高原子利用率，节约成本。此外，单原子催化剂中的单原子结构也为粒子物理关于原子模型的研究提供了平台。
虽然单原子催化剂在能源、化工、物理等领域作为热点进行研究，发挥其高活性和高选择性的催化作用，然而其在环保领域的研究却未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供单原子催化剂在环保领域的应用，经过对单原子催化剂对废水的研究，发明人出人意料地发现，所述单原子催化剂对废水絮凝具有非常优秀的效果，这一点将会在下面的试验中清楚地展现出来。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
单原子催化剂作为废水处理絮凝剂的应用，所述的单原子催化剂由载体和过渡金属组成，所述载体为无机钙基载体、无机硅基载体、无机铝基载体和无机钛基载体中的任一一种；所述过渡金属选自第一过渡至第二过渡金属中的一种或多种；所述过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。
优选的是，所述无机钙基载体为碳酸钙、硅酸钙任一一种。
优选的是，所述的无机硅基载体为硅藻土、高岭土的任一一种，所述硅藻土化学成分以SiO2为主，所述高岭土的晶体化学式为2SiO2·Al2O3·2H2O。
优选的是，所述的无机铝基载体为氧化铝、高岭土中的任一一种。
优选的是，所述的无机钛基载体为钛白粉、纳米二氧化钛中的任一一种。
优选的是，所述的过渡金属选自Fe、Co、Ni、Cu、Mn和Zn中一种或多种，所述单原子催化剂中含有的过渡金属和载体质量比为1:20～1:200。
进一步地，所述单原子催化剂的制备方法包括以下步骤：
1)将过渡金属盐溶液与载体进行超声、搅拌混合；
2)除去步骤1)所得产物的溶剂，研磨制得固体粉末；
3)将步骤2)所得的固体粉末进行加热处理、冷却后研磨制得所需的单原子催化剂。
优选的是，步骤1)所述金属盐溶液浓度为5～200g/L，所述金属盐为氯化盐、硝酸盐、硫酸盐中的任意一种，所述溶液的溶剂为水、水-有机混合溶剂中的任意一种，所述搅拌时间为12～48h。
优选的是，步骤3)所述加热处理是在3～13vt％氢氩混合气气氛中50～1000℃温度加热2～4h，所述研磨时间20min～40min。
与传统的水处理絮凝剂相比，单原子催化剂具有更为优异的絮凝效果。单原子催化剂无需任何辅助条件，自身可以高效地絮凝水体中的悬浮物，产生体积较大的，质量比水重的颗粒物，使其快速沉降至水底。从而达到去除悬浮物的目的，对环境无污染，对生物体无副作用。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细的阐述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。这些实施例仅用于说明本发明，而非用于限制本发明的范围。此外，在阅读本发明的内容后，本领域的技术人员可以对本发明作各种修改，这些等价变化同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
步骤1，将5g/L氯化铁的水溶液加入硅藻土(无机硅基载体)中，其中过渡金属与载体的质量比为1:20，所得溶液100kHz的条件下超声30min分散均匀，然后再将混合溶液100r/min搅拌12h；
步骤2，将步骤1得到的混合溶液升温至水的沸点，高温挥发，蒸干溶剂，并用球磨机于50r/min转速下充分研磨0.5小时，得到固体粉末；
步骤3，将步骤2得到的固体粉末在3vt％(体积百分浓度)氢氩混合气气氛和400℃的温度条件下加热处理2h，冷却到室温，球磨机于50r/min转速下研磨20min，即得所需的单原子催化剂，所制得的催化剂含有的过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。
实施例2
步骤1，将10g/L氯化铜的水溶液加入碳酸钙(无机钙基载体)中，其中过渡金属与载体的质量比为1:50，所得溶液100kHz的条件下超声30min分散均匀，然后再将混合溶液150r/min搅拌20h；
步骤2，将步骤1得到的混合溶液升温至水的沸点，高温挥发，蒸干溶剂，并用球磨机于100r/min转速下充分研磨1小时，得到固体粉末；
步骤3，将步骤2得到的固体粉末在5vt％氢氩混合气气氛和200℃的温度条件下加热处理3h，冷却到室温，球磨机于100r/min转速下研磨30min，即得所需的单原子催化剂，所制得的催化剂含有的过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。
实施例3
步骤1，将200g/L氯化钴的水和乙醇(体积比为1：1)溶液加入氧化铝(无机铝基载体)中，其中过渡金属与载体的质量比为1:200，所得溶液100kHz的条件下超声30min分散均匀，然后再将混合溶液200r/min搅拌48h；
步骤2，将步骤1得到的混合溶液升温至混合溶液的沸点，高温挥发，蒸干溶剂，并用球磨机于500r/min转速下充分研磨3小时，得到固体粉末；
步骤3，将步骤2得到的固体粉末在5vt％氢氩混合气气气氛和800℃的温度条件下加热处理4h，冷却到室温，球磨机于500r/min转速下研磨40min，即得所需催化剂，所制得的催化剂含有的过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。
实施例4
步骤1，将10g/L氯化镍和10g/L氯化锌的水溶液加入钛白粉(无机钛基载体)中，其中过渡金属与载体的质量比为1:30，两种过渡金属的质量比为1:1，所得溶液100kHz的条件下超声30min分散均匀，然后再将混合溶液100r/min搅拌48h；
步骤2，将步骤1得到的混合溶液升温至水的沸点，高温挥发，蒸干溶剂，并用球磨机于300r/min转速下充分研磨2小时，得到固体粉末；
步骤3，将步骤2得到的固体粉末在6vt％氢氩混合气气氛和600℃的温度条件下加热处理2.5h，冷却到室温，球磨机于200r/min转速下研磨25min，即得所需的催化剂，所制得的催化剂含有的过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。
实施例5
步骤1，将50g/L硝酸锌和50g/L硝酸铁的水溶液加入硅酸钙(无机钙基载体)中，其中过渡金属与载体的质量比为1:60，两种过渡金属的质量比为1:2，所得溶液100kHz的条件下超声30min分散均匀，然后再将混合溶液150r/min搅拌25h；
步骤2，将步骤1得到的混合溶液升温至水的沸点，高温挥发，蒸干溶剂，并用球磨机于250r/min转速下充分研磨1.5小时，得到固体粉末；
步骤3，将步骤2得到的固体粉末在7vt％氢氩混合气气氛和300℃的温度条件下加热处理3h，冷却到室温，球磨机于300r/min转速下研磨35min，即得所需的催化剂，所制得的催化剂含有的过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。
实施例6
步骤1，将50g/L氯化钴、50g/L氯化铜、100g/L硝酸银的水溶液加入高岭土(无机硅基载体)中，其中过渡金属与载体的质量比为1:20，钴、铜、银质量比为1:2:3，所得溶液100kHz的条件下超声30min分散均匀，然后再将混合溶液200r/min搅拌12h；
步骤2，将步骤1得到的混合溶液升温至水的沸点，高温挥发，蒸干溶剂，并用球磨机于500r/min转速下充分研磨0.5小时，得到固体粉末；
步骤3，将步骤2得到的固体粉末在8vt％氢氩混合气气氛和700℃的温度条件下加热处理2h，冷却到室温，球磨机于500r/min转速下研磨20min，即得所需的催化剂，所制得的催化剂含有的过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。
实施例7
步骤1，将150g/L硫酸铁、150g/L硫酸铜水溶液加入高岭土(无机铝基载体)中，其中过渡金属与载体的质量比为1:150，两种过渡金属的质量比为1：1，所得溶液100kHz的条件下超声30min分散均匀，然后再将混合溶液100r/min搅拌48h；
步骤2，将步骤1得到的混合溶液升温至水的沸点，高温挥发，蒸干溶剂，并用球磨机于400r/min转速下充分研磨3小时，得到固体粉末；
步骤3，将步骤2得到的固体粉末在10vt％氢氩混合气气氛和50℃的温度条件下加热处理2h，冷却到室温，球磨机于400r/min转速下研磨40min，即得所需的催化剂，所制得的催化剂含有的过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。
实施例8
步骤1，将150g/L氯化铁、160g/L氯化铜水和乙醇溶液加入纳米二氧化钛(无机钛基载体)中，其中过渡金属与载体的质量比为1:200，两种过渡金属的质量比为1：1，水和乙醇的体积比为1：1，所得溶液100kHz的条件下超声30min分散均匀，然后再将混合溶液100r/min搅拌48h；
步骤2，将步骤1得到的混合溶液升温至混合溶剂的沸点，高温挥发，蒸干溶剂，并用球磨机于500r/min转速下充分研磨3小时，得到固体粉末；
步骤3，将步骤2得到的固体粉末在13vt％氢氩混合气气氛和1000℃的温度条件下加热处理4h，冷却到室温，球磨机于500r/min转速下研磨40min，即得所需的催化剂，所制得的催化剂含有的过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。
实施例9
对制备实施例1～8制得的一系列单原子催化剂作为废水处理絮凝剂进行絮凝实验测试：
步骤1，准备鱼池各种微生物暴涨的非常浑浊的水200mL(绿藻、蓝藻等微生物和有机物)放到500mL的透明烧杯中。
步骤2，分别称取3000ppm的絮凝剂，边搅拌边加入絮凝剂；
步骤3，搅拌均匀后能看许多絮状物沉淀产生，停止搅拌，等待沉淀完成。
步骤4，沉淀完成后进行固液分离
试验重复3次，按公式计算悬浮物去除率：
X＝(A-B)/A×100％
式中：
X——去除率％；
A——被试样品絮凝前悬浮物浓度；
B——被试样品絮凝后悬浮物浓度。
单原子絮凝剂在3000ppmd投加量下，对有机悬浮物的去除率均可达到98％以上。不同系列无机载体所制备的单原子絮凝剂均表现出>97％的去除率，再次证明了本专利制备的一系列无机高效单原子絮凝剂优异的絮凝性能。

Claims (9)

1.单原子催化剂作为废水处理絮凝剂的应用，所述的单原子催化剂由载体和过渡金属组成，所述载体为无机钙基载体、无机硅基载体、无机铝基载体和无机钛基载体中的任一一种；所述过渡金属选自第一过渡至第二过渡金属中的一种或多种；所述过渡金属以单原子的形式锚定在载体表面的缺陷位点。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述无机钙基载体为碳酸钙、硅酸钙任一一种。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的无机硅基载体为硅藻土、高岭土的任一一种。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的无机铝基载体为氧化铝、高岭土中的任一一种。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的无机钛基载体为钛白粉、纳米二氧化钛中的任一一种。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的过渡金属选自Fe、Co、Ni、Cu、Mn和Zn中一种或多种，所述单原子催化剂中含有的过渡金属和载体质量比为1:20～1:200。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述单原子催化剂的制备方法包括以下步骤：
1)将过渡金属盐溶液与载体进行超声、搅拌混合；
2)除去步骤1)所得产物的溶剂，研磨制得固体粉末；
3)将步骤2)所得的固体粉末进行加热处理、冷却后研磨制得所需的单原子催化剂。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤1)所述金属盐溶液浓度为5～200g/L，所述金属盐为氯化盐、硝酸盐、硫酸盐中的任意一种，所述溶液的溶剂为水、水-有机混合溶剂中的任意一种，所述搅拌时间为12～48h。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤3)所述加热处理是在3～13vt％氢氩混合气气氛中50～1000℃温度加热2～4h，所述研磨时间20min～40min。
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