CN113713836B - 一种多元过渡金属磷化物催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多元过渡金属磷化物催化剂及其制备方法和应用。该方法将过渡金属钴铁镍制备成相应的磷化物(Co2P‑FeP‑Ni2P)。在过硫酸盐体系中,利用钴铁镍多元金属磷化物协同作用深渡降解废水内非甾体抗炎药物,该催化剂具有较高的纯渡,颗粒形貌均匀,晶体结构完整,分散性好。同时对污染物备具备良好的催化能力,制备成本低廉。本发明制备的钴铁镍多元金属磷化物能够在过硫酸氢钾体系中活化过一硫酸根产生具有强氧化性的硫酸根自由基(SO4 -·),从而有效降解低浓渡非甾体抗炎药物。
Description
技术领域
本发明属于环保领域,涉及一种多元过渡金属磷化物催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
长久以来,非甾体抗炎药物(NSAIDs)是全球使用最多的药物种类之一。每年全球约有3000万人使用,每年处方量达到5亿。随着NSAIDs使用的增多,这类药物在水环境中检测出的逐日增加的含量受到专家的关注,据美国食品药品监督管理局(FDA)多年来调查认为NSAIDs的一旦富集摄入导致人们存在潜在心血管和消化道出血风等问题,这使水环境中存在的NSAIDs的问题成为水处理领域的焦点问题。其作为一种药物在我们日常生活中又特别的常见,常见的有阿司匹林、对乙酰氨基酚、吲哚美辛、萘普生、萘普酮、双氯芬酸、布洛芬、尼美舒利、罗非昔布、塞来昔布等。我国在地下水中检测出244ng/L浓渡的乙酰氨基酚,国内地表水中有检测出36788ng/L的布洛芬,该类药物在生物链中富集摄入,对人们身体造成潜在的巨大危害。
现阶段,污水处理厂中去除NSAIDs的有效途径是生物降解和污泥吸附,但由于其水中的以痕量水平存在,和其难生物降解性,传统的污水处理工艺无法降解该类型的药物。由此通常利用活性炭吸附,高级氧化处理工艺后续处理该类药物。我们经过研究发明了一种多元过渡金属磷化物作为催化剂在PMS体系中利用催化产生的强氧化自由基(SO4 -·)氧化污染物从而达到较高的处理效率。我们发明的多元过渡金属磷化物催化剂相对于单金属、双金属催化剂有更快的反应速率,和催化效果,比同等类型的多金属氧化物的催化剂,其具备更好的导电性和对复杂水体的适应性。其晶格形态稳定的且具备较多活性位点的同时,使活性组分不易析出造成二次污染,且该多元金属优势在于催化剂投加量少,稳定性好,使用寿命长,制备步骤简单,制备成本低廉。
由此根据这些特点,开发多元过渡金属磷化物用来降解含非甾体抗炎药物的废水,处理效果俱佳。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述不足,提供一种多元过渡金属磷化物催化剂。
本发明的另一目的是提供该多元过渡金属磷化物催化剂的制备方法。
本发明的又一目的是提供该多元过渡金属磷化物催化剂的应用。
本发明的目的可通过以下技术方案实现:
一种多元过渡金属磷化物催化剂的制备方法,包含以下步骤:
(1)前驱体制备:Ni2(NO3)2·6H2O、(Fe(NO3)3·9H2O、(Co(NO3)2·6H2O)和十六烷基三甲基溴化铵混合溶于去离子水和甲醇混合溶剂中进行水热反应得前驱体,前驱体清洗后干燥备用;其中Ni2(NO3)2·6H2O:(Fe(NO3)3·9H2O:Co(NO3)2·6H2O的摩尔比为3:1:1~6;
(2)催化剂的制备:前驱体与次磷酸钠按照1:5~30的质量比混合,研磨后置于陶瓷舟中,将陶瓷舟置于管式炉中,以通入高纯氩,升温至一定温渡焙烧,焙烧结束后让其自然冷却至室温,清洗后干燥得所述的多元过渡金属磷化物催化剂。
步骤(1)中所述的十六烷基三甲基溴化铵与所述的Ni2(NO3)2·6H2O的质量比优选1~3:1,进一步优选2:1。
步骤(1)中所述的混合溶液中去离子水与甲醇体积比优选1:3~8,所述的十六烷基三甲基溴化铵与去离子水质量体积比优选1:6~12g/mL。
步骤(1)中所述的不锈钢水热反应釜在烘箱中反应温渡优选120~220℃,反应时间优选12~24h。
步骤(2)中所述的投加的前驱体与次磷酸钠(NaH2PO2)质量比优选1:5~30。
步骤(2)中所述的在管式炉中,通入高纯氩,炉内升温速率优选1~5℃/min,焙烧终温优选200~500℃,升温速率优选1~5℃/min,焙烧时间优选100~200min。
步骤(1)和步骤(2)中所述的清洗优选分别加入甲醇和去离子水在离心机7000rpm下交替水洗4~6次。
按照本发明所述的方法制备得到的多元过渡金属磷化物催化剂。
本发明所述的多元过渡金属磷化物催化剂在催化过硫酸盐去除水中非甾体抗炎药物中的应用。
一种多元过渡金属磷化物催化过硫酸盐去除水中非甾体抗炎药物的方法,同时向含非甾体抗炎药物的污染物溶液中投加本发明所述的多元过渡金属磷化物催化剂和单过硫酸氢钾;其中,投加的多元过渡金属磷化物催化剂与污染物溶液质量体积比为1:1000~4000g/mL;单过硫酸氢钾在污染物溶液中浓渡为0.2~1.0mmol/L,非甾体抗炎药物浓度400~5000ng/L。
将反应后的废水经孔径为0.45μm水系滤膜过滤,其中废水中剩余非甾体抗炎药物浓渡采用液相色谱法测定,测定结果表明该催化剂对非甾体抗炎药物的去除率能达到88.2%~97.6%该方法利用多元过渡金属磷化物多金属催化作用,活化单过硫酸氢钾(PMS)产生的硫酸根自由基对污染物进行深渡氧化处理,实现对污染物的高效去除。
该催化剂具有较高的纯渡,颗粒形貌均匀,晶体结构完整,分散性好。同时对污染物备具备良好的催化能力,制备成本低廉。本发明制备的钴铁镍多元金属磷化物(Co2P-FeP-Ni2P)能够在过硫酸氢钾体系中活化过一硫酸根产生具有强氧化性的硫酸根自由基(SO4 -·),从而有效降解低浓渡非甾体抗炎药物。与单金属磷化物、双金属磷化物、多金属氧化物相比,多元过渡金属磷化物拥有更多的催化活性位点,更大的比表面积和更好的导电性。由此不仅提高了污染物的降解效率,同时加快了污染物的反应速率,大大缩短反应平衡时间。另一方面钴铁镍多元金属磷化物环境稳定性高,在(pH=4~10)的水质和电导率较高的含盐废水中,对非甾体抗炎药物降解效率稳定,可重复回收利用,且无二次污染问题。
与现有技术相比,本发明构建多元过渡金属磷化物(Co2P-FeP-Ni2P)/PMS体系能够提高非甾体抗炎药物的降解效率,解决日常污水处理厂处理痕量污染物不达标的问题,同时降低处理能耗,降低处理成本,减少二次污染,十分适合深渡处理各种含非甾体抗炎药物的废水,地下水。
附图说明
图1镍钴铁磷化物XRD图谱
具体实施方式
实施例1
多元过渡金属磷化物(Co2P-FeP-Ni2P)具体制备方法如以下步骤:
(1)前驱体制备:取0.5g的硝酸镍Ni2(NO3)2·6H2O,与一定量的硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O,硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和1.0g的十六烷基三甲基溴化铵混合溶于去离子水和甲醇混合溶剂中,其中硝酸镍、硝酸铁、硝酸钴三者摩尔比为3:1:1,十六烷基三甲基溴化铵与去离子水质量体积比1:8g/mL,去离子水与甲醇体积比为1:4。将混合物磁力搅拌30min后置于100ml水热反应釜内衬中再密封于不锈钢水热反应釜中,放于烘箱中以180℃反应24h后取出,分别加入甲醇和去离子水在离心机7000rpm下交替水洗4次,倒出清洗液,并将前驱体放入真空干燥箱80℃下干燥12h取出备用;
(2)催化剂的制备:首先取出备用的前驱体将其与次磷酸钠(NaH2PO2)混合,其中前驱体与次磷酸钠(NaH2PO2)质量比为1:8,用玛瑙研钵混合研磨两种物质,然后置于陶瓷周中,将陶瓷舟置于管式炉中,以通入高纯氩,以300℃温渡焙烧180min,升温速率为1℃/min,焙烧结束后让其自然冷却至室温,分别加入甲醇和去离子水在离心机7000rpm下交替水洗4次,置于真空干燥箱中80℃真空干燥12h,取出后得多元过渡金属磷化物(Co2P-FeP-Ni2P)。
同时向污染物(含非甾体抗炎药物乙酰氨基酚)模拟污染物溶液中投加多元过渡金属磷化物(Co2P-FeP-Ni2P)和单过硫酸氢钾,模拟污染物中多元过渡金属磷化物(Co2P-FeP-Ni2P)与模拟污染物乙酰氨基酚溶液质量体积比为1:2000g/mL,投加的单过硫酸氢钾在污染物溶液中浓渡为1.0mmol/L,污染物浓渡2500ng/L,利用0.1mol/L的盐酸和0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节反应pH=7,采用恒温摇床反应器,在200rpm速率下室温震荡反应60min。
将反应后的废水经孔径为0.45μm水系滤膜过滤,测定液体中乙酰氨基酚剩余浓渡,采用液相色谱法测定水中乙酰氨基酚浓渡,测定结果乙酰氨基酚的去除率能达到96.2%。
实施例2
调节污染物溶液的pH,和溶液含盐量后,测定降解效率。
同时向污染物(含非甾体抗炎药物乙酰氨基酚)模拟污染物溶液中投加实施例1制备的多元过渡金属磷化物(Co2P-FeP-Ni2P)和单过硫酸氢钾,模拟污染物中多元过渡金属磷化物(Co2P-FeP-Ni2P)与模拟污染物乙酰氨基酚溶液质量体积比为1:2000g/mL,投加的单过硫酸氢钾在污染物溶液中浓渡为1.0mmol/L,污染物浓渡2500ng/L,用0.1mol的稀盐酸和0.1mol的氢氧化钠溶液将污染物溶液调节pH=4.0,投加氯化钠使污染物溶液中氯化钠浓度为0.1mol/L增加溶液含盐量,采用恒温摇床反应器,在200rpm速率下室温震荡反应60min。
将反应后的废水经孔径为0.45μm水系滤膜过滤,测定液体中乙酰氨基酚剩余浓渡,采用液相色谱法测定水中乙酰氨基酚浓渡,测定结果乙酰氨基酚的去除率能达到96.1%,与实施例1对比降解效率未有大幅度降低。
对比例1:
将多元金属氧化物与多元金属磷化物进行对比,其中多元过渡金属氧化物(Co304-Fe203-Ni20)具体制备方法如以下步骤:
(1)前驱体制备:取0.5g的硝酸镍Ni2(NO3)2·6H2O,与一定量的硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O,硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和1.0g的十六烷基三甲基溴化铵混合溶于去离子水和甲醇混合溶剂中,其中硝酸镍、硝酸铁、硝酸钴三者摩尔比为3:1:1,十六烷基三甲基溴化铵与去离子水质量体积比1:8g/mL,去离子水与甲醇体积比为1:4。将混合物磁力搅拌30min后置于100ml水热反应釜内衬中再密封于不锈钢水热反应釜中,放于烘箱中以180℃反应24h后取出,分别加入甲醇和去离子水在离心机7000rpm下交替水洗4次,倒出清洗液,并将前驱体放入真空干燥箱80℃下干燥12h取出备用;
(2)催化剂的制备:首先取出备用的前驱体置于陶瓷周中,将陶瓷舟置于管式炉中,以通入高纯氩,以300℃温渡焙烧180min,升温速率为1℃/min,焙烧结束后让其自然冷却至室温,分别加入甲醇和去离子水在离心机7000rpm下交替水洗4次,置于真空干燥箱中80℃真空干燥12h,取出后得多元过渡金属磷化物(Co304-Fe203-Ni20)。
同时向污染物(含非甾体抗炎药物乙酰氨基酚)模拟污染物溶液中投加多元过渡金属氧化物(Co304-Fe203-Ni20)和单过硫酸氢钾,模拟污染物中多元过渡金属氧化物(Co304-Fe203-Ni20)与模拟污染物乙酰氨基酚溶液质量体积比为1:2000g/mL,投加的单过硫酸氢钾在污染物溶液中浓渡为1.0mmol/L,污染物浓渡2500ng/L,采用恒温摇床反应器,
在200rpm速率下室温震荡反应30min。将反应后的废水经孔径为0.45μm水系滤膜过滤,测定液体中乙酰氨基酚剩余浓渡,采用液相色谱法测定水中乙酰氨基酚浓渡,测定结果乙酰氨基酚的去除率能达到64.4%。
在200rpm速率下室温震荡反应60min后,取样反应后的废水经孔径为0.45μm水系滤膜过滤,测定液体中乙酰氨基酚剩余浓渡,采用液相色谱法测定水中乙酰氨基酚浓渡,测定结果乙酰氨基酚的去除率能达到76.3%。
在200rpm速率下室温震荡反应90min后,取样反应后的废水经孔径为0.45μm水系滤膜过滤,测定液体中乙酰氨基酚剩余浓渡,采用液相色谱法测定水中乙酰氨基酚浓渡,测定结果乙酰氨基酚的去除率能达到81.3%,与实施例1对比仍未降解平衡。
实施例3:
一种多元过渡金属磷化物(Co2P-FeP-Ni2P),具体制备方法如以下步骤:
(1)前驱体制备:取0.5g的硝酸镍Ni2(NO3)2·6H2O,与一定量的硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O,硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和1.0g的十六烷基三甲基溴化铵混合溶于去离子水和甲醇混合溶剂中,其中硝酸镍、硝酸铁、硝酸钴三者摩尔比为3:1:3,十六烷基三甲基溴化铵与去离子水质量体积比1:12g/mL,去离子水与甲醇体积比为1:4。将混合物磁力搅拌30min后置于100ml水热反应釜内衬中再密封于不锈钢水热反应釜中,放于烘箱中以120℃反应20h后取出,分别加入甲醇和去离子水在离心机7000rpm下交替水洗5次,倒出清洗液,并将前驱体放入真空干燥箱80℃下干燥12h取出备用;
(2)催化剂的制备:首先取出备用的前驱体将其与次磷酸钠(NaH2PO2)混合,其中前驱体与次磷酸钠(NaH2PO2)质量比为1:20,用玛瑙研钵混合研磨两种物质,然后置于陶瓷周中,将陶瓷舟置于管式炉中,以通入高纯氩,以400℃温渡焙烧150min,升温速率为2℃/min,焙烧结束后让其自然冷却至室温,分别加入甲醇和去离子水在离心机7000rpm下交替水洗6次,置于真空干燥箱中80℃真空干燥12h,取出后备用。
同时向污染物(含非甾体抗炎药物)模拟污染物溶液中投加钴铁镍多元金属磷化物和单过硫酸氢钾,模拟污染物中多元过渡金属磷化物(Co2P-FeP-Ni2P)与模拟污染物溶液质量体积比为1:1000g/mL,投加的单过硫酸氢钾在污染物阿司匹林溶液中浓渡为0.8mmol/L,污染物浓渡1200ng/L,利用0.1mol/L的盐酸和0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节反应pH=7,采用恒温摇床反应器,在300rpm速率下室温震荡反应60min。将反应后的废水经孔径为0.45μm水系滤膜过滤,测定液体中阿司匹林剩余浓渡,采用液相色谱法测定水中阿司匹林浓渡,测定结果阿司匹林的去除率能达到90.9%。
对比例2
钴镍双元金属磷化物(Co2P-Ni2P)具体制备方法如以下步骤:
(1)前驱体制备:取泡沫镍用3mol/L的稀盐酸超声酸洗30min,然后用去离子水和无水乙醇依次超声清洗30min,吹风机吹干,取0.5g的四氧化三钴Co3O4,与一定量的氧化镍NiO,用玛瑙研钵混合研磨,其中四氧化三钴Co3O4与氧化镍NiO质量比为1:3,然后加入次磷酸钠(NaH2PO2)混合研磨,两种氧化物与次磷酸钠质量比为1:15,充分研磨后取出备用;
(2)催化剂的制备:首先取出备用的前驱体将其铺于泡沫镍之上,将泡沫镍置于陶瓷舟中,以通入高纯氩,以300℃温渡焙烧180min,升温速率为2℃/min,焙烧结束后让其自然冷却至室温,取出后依次用质量分数为10%的稀盐酸,无水乙醇,去离子水在离心机7000rpm下交替水洗6次,置于真空干燥箱中80℃真空干燥12h,取出后,刮下泡沫镍表面的金属粉末备用。
同时向污染物(含非甾体抗炎药物阿司匹林)模拟污染物溶液中投加钴镍双元金属磷化物和单过硫酸氢钾,模拟污染物中多元过渡金属磷化物(Co2P-Ni2P)与模拟污染物溶液质量体积比为1:2000g/mL,投加的单过硫酸氢钾在污染物阿司匹林溶液中浓渡为0.6mmol/L,污染物浓渡2000ng/L,利用0.1mol/L的盐酸和0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节反应pH=7,采用恒温摇床反应器,在300rpm速率下室温震荡反应60min。将反应后的废水经孔径为0.45μm水系滤膜过滤,测定液体中阿司匹林剩余浓渡,采用液相色谱法测定水中阿司匹林浓渡,测定结果阿司匹林的去除率能达到84.1%。
对比例3
铁镍多元金属磷化物(FeP-Ni2P)催化剂具体制备方法如以下步骤:
(1)前驱体制备:取泡沫镍用3mol/L的稀盐酸超声酸洗30min,然后用去离子水和无水乙醇依次超声清洗30min,吹风机吹干,取0.5g的四氧化三铁Fe3O4,与一定量的氧化镍NiO,用玛瑙研钵混合研磨,其中四氧化三铁Fe3O4与氧化镍NiO质量比为2:5,然后加入次磷酸钠(NaH2PO2)混合研磨,两种氧化物与次磷酸钠质量比为1:10,充分研磨后取出备用;
(2)催化剂的制备:首先取出备用的前驱体将其铺于泡沫镍之上,将泡沫镍置于陶瓷舟中,以通入高纯氩,以400℃温渡焙烧150min,升温速率为2℃/min,焙烧结束后让其自然冷却至室温,取出后依次用质量分数为10%的稀盐酸,无水乙醇,去离子水在离心机7000rpm下交替水洗5次,置于真空干燥箱中80℃真空干燥12h,取出后,刮下泡沫镍表面的金属粉末备用。
同时向污染物(含非甾体抗炎药物布洛芬)模拟污染物溶液中投加铁镍双元金属磷化物和单过硫酸氢钾,模拟污染物中双多元过渡金属磷化物(FeP-Ni2P)与模拟污染物溶液质量体积比为1:1000g/mL,投加的单过硫酸氢钾在污染物布洛芬溶液中浓渡为1.0mmol/L,污染物浓渡4000ng/L,利用0.1mol/L的盐酸和0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节反应pH=7,采用恒温摇床反应器,在300rpm速率下室温震荡反应60min。将反应后的废水经孔径为0.45μm水系滤膜过滤,测定液体中布洛芬剩余浓渡,采用液相色谱法测定水中布洛芬浓渡,测定结果布洛芬的去除率能达到81.6%。
Claims (7)
1.一种多元过渡金属磷化物催化剂的制备方法,其特征在于包含以下步骤:
(1) 前驱体制备: Ni(NO3)2•6H2O、Fe(NO3)3•9H2O、Co(NO3)2•6H2O和十六烷基三甲基溴化铵混合溶于去离子水和甲醇混合溶剂中进行水热反应得前驱体,前驱体清洗后干燥备用;其中Ni(NO3)2•6H2O:Fe(NO3)3•9H2O:Co(NO3)2•6H2O的摩尔比为3: 1 : 1~6;步骤(1)中所述的十六烷基三甲基溴化铵与所述的Ni(NO3)2•6H2O的质量比为1~3:1;步骤(1)中所述水热反应在烘箱中的反应温度为120~220℃,反应时间为12~24h;
(2) 催化剂的制备:前驱体与次磷酸钠按照1 : 5~30的质量比混合,研磨后置于陶瓷舟中,将陶瓷舟置于管式炉中,通入高纯氩,升温至一定温渡焙烧,焙烧结束后让其自然冷却至室温,清洗后干燥得所述的多元过渡金属磷化物催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤(1)中所述的混合溶液中去离子水与甲醇体积比为1 : 3~8,所述的十六烷基三甲基溴化铵与去离子水质量体积比为1 : 6~12g/mL。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤(2)中所述的在管式炉中,通入高纯氩,炉内升温速率为1 ~ 5 ℃/min,焙烧终温为200 ~ 500℃,升温速率为1~ 5℃/min,焙烧时间100~200min。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤(1)和步骤(2)中所述的清洗是分别加入甲醇和去离子水在离心机7000rpm下交替水洗4~6次。
5.按照权利要求1~4中任一项所述的方法制备得到的多元过渡金属磷化物催化剂。
6.权利要求5所述的多元过渡金属磷化物催化剂在催化过硫酸盐去除水中非甾体抗炎药物中的应用。
7.一种多元过渡金属磷化物催化过硫酸盐去除水中非甾体抗炎药物的方法,其特征在于:同时向含非甾体抗炎药物的污染物溶液中投加权利要求5所述的多元过渡金属磷化物催化剂和单过硫酸氢钾;其中,投加的多元过渡金属磷化物催化剂与污染物溶液质量体积比为1 : 1000~4000 g/mL;单过硫酸氢钾在污染物溶液中浓度为0.2 ~ 1.0 mmol/L,非甾体抗炎药物浓度400 ~ 5000 ng/L。
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