CN112919451B - 用于处理有机污染物的生物质石墨烯及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于处理有机污染物的生物质石墨烯及其制备方法和应用，是由以餐厨垃圾水解残渣为前驱体、熔融碳酸盐为活化剂和催化剂合成的，包括以下步骤：将餐厨垃圾水解残渣干燥、粉碎、过筛后与碳酸盐按一定比例混合；然后在惰性气体保护氛围下热解一段时间，水洗、干燥，得到生物质石墨烯催化剂。本发明利用熔融碳酸钾法首次实现了将餐厨垃圾水解残渣转化为生物质石墨烯，并将其用于有机污染物吸附和催化降解，不仅提高了废弃生物质资源的利用率和餐厨垃圾水解残渣的转化效益，还为高级氧化过程催化剂的制备提供了一种可持续的方法。

Description

用于处理有机污染物的生物质石墨烯及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于有机污染治理和生物质石墨烯领域，具体涉及用于处理有机污染物的生物质石墨烯及其制备方法和应用。
背景技术
随着经济的不断发展，工业的不断进步，水体有机污染日益严重，带来了突出的环境问题，时刻影响着人类活动和身体健康。水体有机污染已经成为全世界共同面临的迫切需要解决的问题。现在应用较多的用于有机污染治理的方法主要有吸附法、生物降解法、电化学处理法和氧化降解法等。其中，吸附法只是将污染物从一相转到另一相，生物降解法作用缓慢、效率低，电化学方法能耗及成本较高，都存在较明显的缺陷[1]。高级氧化技术是利用一些反应生成的具有强氧化活性的自由基将一些常见的有机污染物氧化降解最终矿化成水，二氧化碳和一些无机盐等物质的技术。由于这一类氧化技术具有氧化活性高，适用性广，反应速度快等优点而被广泛研究。由于未活化时过硫酸盐的氧化性较弱，需要采用适当的活化方式产生SO4 -·。在反应体系内额外提供能量如热能，光能，微波均可活化过硫酸盐，还可使用催化剂对过硫酸盐进行活化。相比于上述提供外加热能，光能等能量活化的方法，催化剂活化具有可选择性广，活性效率高，操作和回收方便，可重复利用等优点被广泛采用。开发稳定性更高，环境无毒性的催化剂活化是过硫酸盐催化剂活化的研究热点。
近年来，由于具备较高的导电性、化学稳定性、机械灵活性和理论上的较高的比表面积，石墨烯材料(特别是寡层石墨烯材料)已经成为环境修复和新能源开发领域备受瞩目的基础材料。石墨烯材料既可以作为吸附剂吸附水环境中的污染物，也可以作为高级氧化技术的催化剂，促进有机污染物的降解，还可以作为电极材料应用于电化学储能领域。现在石墨烯的制备方法主要是机械剥离、化学气相沉积、氧化还原等，但这些方法存在着一些缺陷，如：产率低、成本高、工序复杂，制备温度高等问题。随着人们对环境问题越来越关注，石墨烯及其衍生物制备的研究已经趋向于环境友好的制备过程上。生物质是一种最易获得的环境友好型原料，被广泛用来制备石墨烯类材料。
餐厨垃圾水解残渣是餐厨垃圾生物处理过程中产生的固体残渣，属于废弃生物质。本发明人前期申请的中国发明专利《一种用于温室气体捕集的新型氮掺杂活性炭》(申请公布号 CN109081339A)直接采用化学活化法将餐厨垃圾水解残渣转化为多孔的普通活性炭，用于温室气体捕集。为了提高餐厨垃圾水解残渣转化得到的碳材料的功能性和附加值，拟将其进一步转化为生物质石墨烯催化剂，活化过硫酸盐降解有机污染物。但是，由生物质制备石墨烯材料，通常需要近2000℃以上的温度，能耗巨大，对设备要求也很高。所以，选择合适的催化剂在相对较低的温度下促进生物质中无定形碳向石墨化碳的转化具有较大的研究意义。
发明内容
本发明的目的，是针对有机污染的治理、生物质石墨烯的制备和餐厨垃圾水解残渣的后续处理问题，首次利用熔融碳酸盐法，以餐厨垃圾水解残渣为前驱体，制备生物质石墨烯，并将其应用于有机污染治理，涉及了生物质石墨烯的熔融碳酸盐法合成、餐厨垃圾水解残渣的高效转化和有机污染物的催化降解。本方法不仅为生物质石墨烯的可持续制备提供了一种新方法，还提高了餐厨垃圾水解残渣的资源化利用效率，“转废治污”，处理环境中的有机污染。
本发明以餐厨垃圾水解残渣为前驱体，利用碳酸盐及其熔融态的特性实现生物质碳结构的重排，制备具有高催化性能的生物质石墨烯，用于有机污染物的降解，有望为生物质石墨烯的制备、废弃生物质的资源化和高级氧化过程催化剂的可持续合成提供新思路。
本发明是通过如下技术方案实现的。
用于处理有机污染物的生物质石墨烯，通过以下制备方法所得，具体包括如下步骤：
(1)将餐厨垃圾水解残渣干燥、粉碎，过筛；
(2)将餐厨垃圾水解残渣与碳酸盐充分混合，物料比具体为餐厨垃圾水解残渣:碳酸盐质量比为1:3～1:15。
(3)将步骤(2)得到混合物放入管式炉中热解，采用惰性气体保护气氛(流量为4.8L/h)，升温速率为2～10℃/min，反应时间为0.5～4h，反应温度为800～1000℃。
(4)采用稀盐酸溶液和去离子水依次对步骤(3)得到的粗产品进行洗涤，直至洗液pH 为中性，干燥，得到生物质石墨烯。
步骤(2)中的碳酸盐为碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂中的一种或多种混合。
本发明得到的生物质石墨烯作为吸附剂和过氧单磺酸钾催化剂处理有机污染物，该生物质石墨烯作为催化剂时，能够同时吸附和催化降解有机污染物。
本发明的创新之处和有益效果是：
1首次利用熔融碳酸盐法将餐厨垃圾水解残渣转化为生物质石墨烯，可以在相对较低的温度下实现生物质向石墨烯的转化；将得到的生物质石墨烯用于环境中有机污染物的去除，具有较高的去除效率。
2提高了餐厨垃圾水解残渣的综合利用效率，实现了“变废为宝”，充分利用了废弃生物质资源，“转废治污”，得到的生物质石墨烯附加值较高、应用范围广泛，可以带来较高的社会、经济和生态环境效益。
附图说明
图1为本发明实施实例2所得生物质石墨烯的透射电镜图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面将结合实施实例和附图对本发明作进一步说明。但需要特别说明的是，实施实例仅用于对本发明进行进一步解释，本发明要求保护的范围并不局限于实施实例表示的范围。
实施实例1
将餐厨垃圾水解残渣干燥、粉碎、过筛。将餐厨垃圾水解残渣粉末与碳酸钾按照1:3的质量比充分混合，然后转入管式炉中，以2℃/min的升温速率从室温升至900℃，热解0.5h，热解处理在氩气氛围中进行；冷却后用稀盐酸和去离子水分别洗涤直至洗液pH为6.5～7.0；过滤并将固体产品在90℃下真空干燥，得到生物质石墨烯材料。
为考察本发明所提出的生物质石墨烯对有机污染物的吸附和催化降解性能，以典型的抗生素磺胺甲恶唑(SMX)为模式污染物，过氧单磺酸钾(PMS)为氧化剂，生物质石墨烯为吸附剂和催化剂。量取100mL浓度为20mg L-1的SMX溶液于250mL烧杯中，将烧杯用锡箔纸包裹以避免光照的影响；分别加入20mg生物质石墨烯和40mg PMS，并开始计时，磁力搅拌下(500rpm)反应30min；反应过程中，每隔一段时间取样，测定溶液中SMX浓度。为了区分吸附和降解作用，特设置如下实验：量取100mL浓度为20mg L-1的SMX溶液于 250mL烧杯中，将烧杯用锡箔纸包裹以避免光照的影响；加入20mg生物质石墨烯，磁力搅拌下(500rpm)吸附并每隔一段时间取样分析；吸附平衡后再加入40mg PMS开始降解实验，磁力搅拌下(500rpm)降解10min并每隔一段时间取样分析。
实施实例2
将餐厨垃圾水解残渣干燥、粉碎、过筛。将餐厨垃圾水解残渣粉末与碳酸钾按照1:6的质量比充分混合，然后转入管式炉中，以10℃/min的升温速率从室温升至900℃，热解2h，热解处理在氩气氛围中进行；冷却后用稀盐酸和去离子水分别洗涤直至洗液pH为6.5～7.0；过滤并将固体产品在90℃下真空干燥，得到生物质石墨烯材料。所得生物质石墨烯的透射电镜图如图1所示。
有机污染物去除性能的测定同于实施方案1。
实施实例3
将餐厨垃圾水解残渣干燥、粉碎、过筛。将餐厨垃圾水解残渣粉末与碳酸钾按照1:9的质量比充分混合，然后转入管式炉中，以10℃/min的升温速率从室温升至900℃，热解2h，热解处理在氩气氛围中进行；冷却后用稀盐酸和去离子水分别洗涤直至洗液pH为6.5～7.0；过滤并将固体产品在90℃下真空干燥，得到生物质石墨烯材料。
有机污染物去除性能的测定同于实施方案1。
实施实例4
将餐厨垃圾水解残渣干燥、粉碎、过筛。将餐厨垃圾水解残渣粉末与碳酸钠按照1:12的质量比充分混合，然后转入管式炉中，以5℃/min的升温速率从室温升至860℃，热解3h，热解处理在氩气氛围中进行；冷却后用稀盐酸和去离子水分别洗涤直至洗液pH为6.5～7.0；过滤并将固体产品在90℃下真空干燥，得到生物质石墨烯材料。
有机污染物去除性能的测定同于实施方案1。
实施实例5
将餐厨垃圾水解残渣干燥、粉碎、过筛。将餐厨垃圾水解残渣粉末与碳酸钠按照1:15的质量比充分混合，然后转入管式炉中，以10℃/min的升温速率从室温升至1000℃，热解4h，热解处理在氩气氛围中进行；冷却后用稀盐酸和去离子水分别洗涤直至洗液pH为6.5～7.0；过滤并将固体产品在90℃下真空干燥，得到生物质石墨烯材料。
有机污染物去除性能的测定同于实施方案1。
本发明利用熔融碳酸盐法转化餐厨垃圾水解残渣合成的新型生物质石墨烯，在优选条件下得到了层数小于10层的寡层石墨烯材料，该材料具有良好的吸附并活化过氧单磺酸钾降解有机污染物的能力。其中实施实例3所得的生物质石墨烯产品的石墨烯层数约为8层，具有超过2000m2/g的比表面积，孔容达到了约0.9cm3 g-1，在20min内对磺胺甲恶唑(20mg L-1) 去除率接近100％；分步研究了该材料吸附和催化降解性能，发现40min内对磺胺甲恶唑的吸附率为40％左右，加入过氧单磺酸钾后4min内，磺胺甲恶唑的降解去除率就达到了～100％。因此，本发明得到的新型生物质石墨烯可以作为良好的吸附剂和过氧单磺酸钾催化剂，应用于有机污染治理。

Claims (5)

1.用于处理有机污染物的生物质石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将餐厨垃圾水解残渣干燥、粉碎，过筛；
（2）将餐厨垃圾水解残渣与碳酸盐充分混合；所述的餐厨垃圾水解残渣:碳酸盐质量比为1:3~1:15；
（3）将步骤（2）得到混合物放入管式炉中热解，采用惰性气体保护气氛；热解温度为800~1000℃；
（4）采用稀盐酸溶液和去离子水依次对步骤（3）得到的粗产品进行洗涤，直至洗液pH为中性，干燥，得到生物质石墨烯。
2.根据权利要求1 所述的用于处理有机污染物的生物质石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤（2）中碳酸盐为碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂中的一种或多种混合。
3.根据权利要求1 所述的用于处理有机污染物的生物质石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，升温速率为2~10℃/min，反应时间为0.5~4 h。
4.用于处理有机污染物的生物质石墨烯，其特征在于：根据权利要求1到3 任一项所述的制备方法所得。
5.用于处理有机污染物的生物质石墨烯的应用，其特征在于：权利要求4所述的生物质石墨烯作为吸附剂和过氧单磺酸钾催化剂处理有机污染物。
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