CN115869980A - 一种用于过硫酸盐废水处理体系的单原子催化膜及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于过硫酸盐废水处理体系的单原子催化膜及其制备和应用，属于催化膜应用领域。配制过渡金属盐、尿素的混合粉末作为反应前驱体，经过高温煅烧获得粉末单原子催化剂；取粉末单原子催化剂超声分散，经过抽滤将其负载在微滤膜表面获得单原子催化膜。本发明制备的单原子催化膜含有大量过渡金属活性位点，可实现过硫酸盐的高效活化；含有大量的微纳米反应通道可促进有机废水中污染物与氧化性物质的反应速率，提高过硫酸盐的利用效率；将其使用于连续流膜反应器装置，可实现实际废水中悬浮物和溶解性有机污染物的同步去除。本发明解决了纳米催化剂难以用于连续流废水处理、异相过硫酸盐氧化体系中氧化剂利用率低的关键技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及催化膜应用领域，具体涉及一种用于过硫酸盐废水处理体系的单原子催化膜及其制备和应用，适用于有机废水的快速处理。
背景技术
过硫酸盐氧化技术是一种操作简单、反应快速、处理效率高的水处理技术。过硫酸盐可以通过热活化、光活化、碱活化、过渡金属活化等方式产生具有高反应活性的氧化性物质(硫酸根自由基、羟基自由基、单线态氧、高价金属等)，实现对有机污染物分子的氧化分解及深度去除，因此在有机废水的深度处理中受到广泛关注。过渡金属催化剂可以高效活化过硫酸盐(过一硫酸盐PMS，过二硫酸盐PDS)，被广泛用于过硫酸盐水处理体系。然而，纳米催化剂不可避免地面临着不易回收、易流失、难以用于连续流水处理等问题，且异相体系中的过渡金属活性位点利用率不足，严重限制了过流酸盐的活化速率和有机污染物的去除速率。
目前，催化膜在废水处理中的应用中备受关注。专利公开CN109772292 A提供了一种负载纳米级光催化剂的陶瓷膜，用于解决光催化剂回收困难的问题；CN112028180A将催化剂颗粒与陶瓷膜共混料进行混合，通过烧结制备催化功能性陶瓷膜用于优化催化膜对臭氧的活化性能；CN111729681A将Fe2O3纳米管与C3N4复合构建光催化膜，通过提高光响应范围优化其光催化性能；专利CN111039388B构建的负载单原子催化剂的阴极炭膜聚焦于电辅助膜生物反应器和电催化体系废水处理。然而，以上发明关于非均相催化氧化体系中过渡金属活性位点利用率不足导致氧化剂活化速率和利用率有限的问题缺少研究。
因此，亟需寻找一种能够提高异相体系中的过渡金属活性位点利用率的方法。本发明通过构建一种单原子催化膜，利用高度暴露的过渡金属活性位点提高其利用率以及氧化剂的活化速率，同时将其与膜反应器相结合，实现了废水的快速高效处理。
发明内容
【技术问题】
纳米催化剂不可避免地面临着不易回收、易流失、难以用于连续流水处理等问题，且异相体系中的过渡金属活性位点利用率不足，严重限制了过硫酸盐的活化速率和有机污染物的去除速率。
【技术方案】
针对以上限制因素，本发明提供了一种用于过硫酸盐废水处理体系的单原子催化膜，通过煅烧-抽滤负载两步法制备单原子催化膜含有大量充分暴露的过渡金属活性位点，可实现过硫酸盐的高效活化；单原子催化膜含有大量的微纳米反应通道可促进有机废水中污染物与氧化性物质的反应速率，提高过硫酸盐的利用效率和溶解性有机污染物的去除效率。同时，其孔道结构可以作为水通道强化反应体系的传质过程，通过构建膜组件可以实现单原子催化膜在连续流水处理体系中的应用。此外，催化膜可实现实际废水中悬浮物的同步去除。本发明内容解决了纳米催化剂难以用于连续流废水处理、异相过硫酸盐氧化体系中过渡金属活性位点利用率不足导致的氧化剂活化速率受限的关键技术问题。
具体的，本发明的技术方案如下：
本发明的第一个目的是提供一种用于过硫酸盐废水处理体系的单原子催化膜的制备方法，所述方法通过煅烧-抽滤负载两步法得到单原子催化膜；
具体方法为：以氮源和过渡金属盐混合粉末作为反应前驱体，通过高温煅烧处理得到粉末单原子催化剂；将粉末单原子催化剂超声分散，以微滤膜为膜基底，经过抽滤负载即可得到单原子催化膜。
在本发明的一种实施方式中，所述氮源优选为尿素或双氰胺，更优选尿素。
在本发明的一种实施方式中，所述氮源与过渡金属盐的摩尔比为100～2000:1。
在本发明的一种实施方式中，所述过渡金属盐包括铁盐、钴盐、镍盐、铜盐、锰盐可溶性盐的一种或几种，最优选为钴盐。
在本发明的一种实施方式中，所述过渡金属盐为硝酸盐、氯酸盐或硫酸盐。
在本发明的一种实施方式中，所述煅烧温度为500～550℃，煅烧时间为0.5～4h。
在本发明的一种实施方式中，所述超声分散得到的分散液的浓度为10mg/L～100mg/L。
在本发明的一种实施方式中，所述粉末单原子催化剂在一片微滤膜上的负载量为5mg～50mg，其中，所述一片微滤膜有效表面积为12cm2，本领域技术人员能够根据微滤膜表面积的大小适当的调整粉末单原子催化剂的负载量。
在本发明的一种实施方式中，所述微滤膜优选为商品膜，所述商品膜的尺寸为45～60mm、孔径为0.22～0.45μm。
在本发明的一种实施方式中，所述微滤膜的材质为尼龙66、聚醚砜PES、聚偏氟乙烯PVDF、混合纤维素MCE、陶瓷膜的任一种。
本发明的第二个目的是提供上述制备方法制备得到的单原子催化膜。所述单原子催化膜应用于连续流过硫酸盐废水处理体系，以提高催化剂对氧化剂的活化速率和利用率。
本发明的第三个目的是提供一种膜反应器装置，所述装置包括含有上述单原子催化膜的膜反应器、所述膜反应器上设置有进水口、出水口和排气口。
在本发明的一种实施方式中，所述膜反应器的进水口通过蠕动泵与废水池相通，所述出水口与出水池相通。
在本发明的一种实施方式中，所述进水口与排气口位于膜反应器的上部，所述进水口和排气口分别位于膜反应器的两侧，所述出水口位于膜反应器的下部或底部。
在本发明的一种实施方式中，当废水依靠外部蠕动泵的作用流经单原子催化膜，即可实现单次穿流过程中对有机污染物的高效去除。
本发明的第四个目的是提供一种高效处理废水的方法，所述方法以上述膜反应器装置作为处理装置，其中，所述废水中含有过硫酸盐作为氧化剂，所述废水在单原子催化膜催化层孔道内的停留时间为0.3～5.4s。
在本发明的一种实施方式中，所述过硫酸盐PMS浓度范围为0.025～0.5mM。
在本发明的一种实施方式中，所述废水为有机废水。
在本发明的一种实施方式中，所述有机废水包括印染废水、含酚废水、医药废水。
本发明有益的技术效果在于：
1、本发明以尿素和过渡金属盐为反应前驱体，通过煅烧法制备的单原子催化剂具有丰富的活性位点和片层结构，充分暴露过渡金属活性位点进而表现出优异的催化效果，提高异相催化体系中对活性位点的利用效率，该制备方法简单易操作。
2、本发明以商品微滤膜为支撑材料，通过抽滤负载法制备的单原子催化膜具有丰富的孔隙结构和优异的柔韧性，纳米催化剂可以均匀负载在商品膜表面。
3、本发明制备的单原子催化膜，其孔道内负载的过渡金属活性位点可提高非均相过硫酸盐体系中氧化剂的活化速率和利用率，有助于实现废水中悬浮物和难降解有机污染物的同步高效去除。
4、本发明基于过渡金属的催化作用以及膜材料丰富的孔道结构，解决了纳米材料难以用于连续流废水处理反应器、过硫酸盐反应中过渡金属活性位点利用率低、氧化剂活化速率低、实际废水中悬浮物去除和有机污染物同步降解的关键技术问题。同时，本发明采用催化膜，避免粉末催化剂直接加入反应器存在的易流失问题，从而提升过硫酸盐氧化技术在实际废水处理中的处理效能。
5、本发明在不提供额外能量的条件下提高过硫酸盐反应中氧化剂的活化速率，同时实现废水的连续处理。与电催化或者光催化协同技术相比较，主要优势在于：1)本工作无需提供额外能量；2)利用催化膜的多孔三维结构可以实现其与蠕动泵等组件的连接，体系更为简单易操作；3)电催化或者光催化协同技术是利用电催化或者光催化过程促进活性位点再生以提高氧化剂的活化速率，而本发明是利用单原子形式提过渡金属的暴露以及催化膜孔道内高密度的活性位点实现氧化剂的高效利用，从而提高其废水处理效能。
6、本发明针对过硫酸盐氧化体系中氧化剂活化速率有限这一问题，利用单原子催化膜构建连续流膜反应器提高氧化剂的活化速率，进而提高了该体系的废水处理效能。因此，与传统的过硫酸盐氧化体系相比，本发明在一定程度上提高并拓展了其废水处理效能。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的制备方法制得单原子催化膜的实物图(a)和微观形貌图(b)；
图2为本发明实施例1提供的膜反应器的连续流反应体系；
图3为本发明实施例1提供的应用方法对过硫酸盐的活化速率对比图，其中，(a)单原子催化膜在不同停留时间条件下活化过硫酸盐；(b)单原子催化膜在不同过硫酸盐浓度条件下活化过硫酸盐；(c)粉末单原子催化剂活化过硫酸盐及其活化速率；(d)单原子催化膜体系过硫酸盐活化速率；
图4为本发明实施例4提供的应用方法对过硫酸盐的活化速率图；
图5为本发明实施例6提供的应用方法对有机废水的处理效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。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。
实施例1：
(1)配制10g(166mmol)尿素，0.15g(0.5mmol)六水合硝酸钴，将其研磨混合，转移进入50mL的坩埚中；将坩埚密封，置于马弗炉中煅烧，设置升温速度5℃/min，550℃保温2h，即可得到粉末单原子催化剂(Co-C3N4)；
取10mg粉末单原子催化剂，加入500mL去离子水中，超声分散1h获得催化剂分散液；以尺寸50mm、孔径0.22μm的商品膜作为催化膜支撑材料，将上述催化剂分散液经过抽滤负载在商品膜表面，即可得到单原子催化膜(如图1所示)。
将单原子催化膜与膜反应器相结合，即可构建连续流反应体系(如图2所示)，其中，将单原子催化膜平放至膜反应器中，膜反应器的进水口通过蠕动泵与废水池相通，膜反应器的出水口与出水池相通，同时膜反应器的上部设有排气口。
(2)以0.025～0.15mM PMS反应液为研究对象，通过蠕动泵调节反应液在Co-C3N4催化膜催化层孔道内的停留时间，并设定为0.3～5.4s，测定出水中PMS的含量，按照PMS活化率＝(PMS进水浓度-PMS出水浓度)/PMS进水浓度公式计算PMS的活化率，可以发现，当PMS浓度为0.1mM时，反应体系停留时间从0.3增加为5.4s时，膜反应器对PMS的活化率达到70％以上(如图3a所示)。当停留时间为5.4s时，反应体系中PMS浓度从0.025mM增加为0.15mM时，膜反应器对PMS的活化率仍高于65％(如图3b所示)。
(3)按照kobs＝-Ln(PMS出水浓度/PMS进水浓度)公式计算其速率常数kobs，可以发现，相比于粉末催化剂活化PMS的速率(0.1065min-1，如图3c所示)，单原子催化膜对PMS的活化速率提高至0.1859s-1，提高了105倍(如图3d所示)。
实施例2：
(1)配制10g(166mmol)尿素，0.03g(0.1mmol)六水合硝酸钴，将其研磨混合，转移进入50mL的坩埚中；将坩埚密封，置于马弗炉中煅烧，设置升温速度5℃/min，550℃保温2h，即可得到粉末单原子催化剂(Co-C3N4)；
取10mg粉末单原子催化剂，加入500mL去离子水中，超声分散1h获得催化剂分散液；以尺寸50mm、孔径0.22μm的商品膜作为催化膜支撑材料，将上述催化剂分散液经过抽滤负载在商品膜表面，即可得到单原子催化膜。
(2)按照实施例1的方式测定其对PMS的活化速率，发现当PMS浓度为0.1mM，停留时间5.4s时，出水中PMS的活化率为43％。
实施例3：
(1)配制7.0g(83mmol)双氰胺，0.15g(0.5mmol)六水合硝酸钴，将其研磨混合，转移进入50mL的坩埚中；将坩埚密封，置于马弗炉中煅烧，设置升温速度5℃/min，550℃保温2h，即可得到粉末催化剂(Co/C3N4)；
采用实施例1中所述的方法制备得到催化膜。
(2)按照实施例1的方式测定其对PMS的活化速率，发现当PMS浓度为0.1mM，停留时间5.4s时，出水中PMS的活化率为28％。因此，该方法制备得到的催化膜对PMS的活化速率明显低于实施例1中所提供的方法制备得到的催化膜。
实施例4：
(1)配制10g(166mmol)尿素，0.06g(0.2mmol)六水合三氯化铁，将其研磨混合，转移进入50mL的坩埚中；将坩埚密封，置于马弗炉中煅烧，设置升温速度5℃/min，550℃保温1h，即可得到粉末单原子催化剂(Fe-C3N4)；
取10mg粉末单原子催化剂，加入500mL去离子水中，超声分散1h获得催化剂分散液；以尺寸50mm、孔径0.22μm的商品膜作为催化膜支撑材料，将上述催化剂分散液经过抽滤负载在商品膜表面，即可得到单原子催化膜。
(2)按照实施例1的方式测定其对PMS的活化速率，发现当PMS浓度为0.1mM，停留时间5.4s时，出水中PMS的活化率为15％，相比于PMS自活化或者空白C3N4体系(其中，PMS自活化代表不加入任何物质，所述空白C3N4表示利用C3N4代替Fe-C3N4制备得到催化膜)，Fe-C3N4对PMS的活化效率明显提高(图4)。
实施例5：
(1)配制10g(166mmol)尿素，0.24g(1.0mmol)六水合氯化镍，将其研磨混合，转移进入50mL的坩埚中；将坩埚密封，置于马弗炉中煅烧，设置升温速度5℃/min，520℃保温4h，即可得到粉末单原子催化剂(Ni-C3N4)；
取30mg粉末单原子催化剂，加入500mL去离子水中，超声分散1h获得催化剂分散液；以尺寸60mm、孔径0.45μm的商品膜作为催化膜支撑材料，将上述催化剂分散液经过抽滤负载在商品膜表面，即可得到单原子催化膜。
(2)按照实施例1的方式测定其对PMS的活化速率，发现当PMS浓度为0.1mM，停留时间5.4s时，出水中PMS的活化率为25％。
实施例6:
(1)以实施例1所提供的催化膜制备方法制备单原子催化膜Co-C3N4，并组建膜反应器，有效过水面积为9.6cm2；
(2)以50μM的2-甲氧基苯酚废水(模拟含酚废水)为处理对象，废水含有的过硫酸盐浓度为0.1mM，通过连续流膜反应器连接的蠕动泵调节废水在单原子催化膜孔道内的停留时间，并设定为5.4s，测定出水中2-甲氧基苯酚的含量，按照去除率＝(2-甲氧基苯酚初始浓度-2-甲氧基苯酚出水浓度)/2-甲氧基苯酚初始浓度公式计算2-甲氧基苯酚的去除率，可以发现，反应体系对2-甲氧基苯酚表现出高效且稳定的去除效果(如图5所示)，运行30小时后，其对2-甲氧基苯酚的去除率仍然高于65％。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种用于过硫酸盐废水处理体系的单原子催化膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括：以氮源和过渡金属盐混合粉末作为反应前驱体，通过高温煅烧处理得到粉末单原子催化剂；将粉末单原子催化剂制成分散液，以微滤膜为膜基底，经过抽滤负载即可得到单原子催化膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮源优选为尿素或双氰胺，更优选尿素；
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氮源与过渡金属盐的摩尔比为100～2000:1。
4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属盐包括铁盐、钴盐、镍盐、铜盐、锰盐可溶性盐的一种或几种；优选的，所述过渡金属盐为硝酸盐、氯酸盐或硫酸盐。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧温度为500～550℃，煅烧时间为0.5～4h。
6.权利要求1～5任一项所述的制备方法制备得到的单原子催化膜。
7.一种膜反应器装置，其特征在于，所述装置包括含有权利要求6所述的单原子催化膜的膜反应器、所述膜反应器上设置有进水口、出水口和排气口。
8.根据权利要求7所述的一种膜反应器装置，其特征在于，所述膜反应器的进水口通过泵与废水池相通，所述出水口与出水池相通，所述排气口位于出水口的上方。
9.一种高效处理有机废水的方法，其特征在于，所述方法以权利要求7或8所述的膜反应器装置作为处理装置，其中，所述有机废水中含有过硫酸盐作为氧化剂。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述有机废水在单原子催化膜催化层孔道内的停留时间为0.3～5.4s；所述过硫酸盐PMS浓度范围为0.025～0.5mM。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109908936A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-06-21 | 浙江师范大学 | 一种可见光响应的锰单原子负载氮化碳催化剂及其制备方法和应用 |
| CN111450829A (zh) * | 2020-05-06 | 2020-07-28 | 青岛理工大学 | 催化过硫酸盐降解有机废水的氧化铜纳米催化膜及其制备方法 |
| CN113058635A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-02 | 南昌航空大学 | 一种活化过硫酸盐生成纯单线态氧的单原子催化剂及其制备方法与应用 |
| CN113289657A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-24 | 山西大学 | 一种氮掺杂石墨烯催化膜的制备方法及其应用 |
| CN113600197A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-11-05 | 清华大学深圳国际研究生院 | 自重力驱动、高通量的CoAl-LDH和CoAl-LDO催化膜及其制备方法 |
| WO2021223251A1 (zh) * | 2020-05-06 | 2021-11-11 | 青岛理工大学 | 催化处理废水的金属氧化物纳米限域催化膜及其制备方法 |
| CN114177927A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-15 | 南京大学 | 二维氮化碳载铁单原子催化剂及其制备方法和应用 |
| CN114749190A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-07-15 | 同济大学 | 一种用于连续流药物废水处理的芬顿助催化剂制备及应用 |
| CN115007192A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-09-06 | 南华大学 | 一种氮化碳基单原子镍纳米材料及其制备方法和应用 |
-
2022
- 2022-11-01 CN CN202211356494.8A patent/CN115869980A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109908936A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-06-21 | 浙江师范大学 | 一种可见光响应的锰单原子负载氮化碳催化剂及其制备方法和应用 |
| CN111450829A (zh) * | 2020-05-06 | 2020-07-28 | 青岛理工大学 | 催化过硫酸盐降解有机废水的氧化铜纳米催化膜及其制备方法 |
| WO2021223251A1 (zh) * | 2020-05-06 | 2021-11-11 | 青岛理工大学 | 催化处理废水的金属氧化物纳米限域催化膜及其制备方法 |
| CN113058635A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-02 | 南昌航空大学 | 一种活化过硫酸盐生成纯单线态氧的单原子催化剂及其制备方法与应用 |
| CN113289657A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-24 | 山西大学 | 一种氮掺杂石墨烯催化膜的制备方法及其应用 |
| CN113600197A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-11-05 | 清华大学深圳国际研究生院 | 自重力驱动、高通量的CoAl-LDH和CoAl-LDO催化膜及其制备方法 |
| CN114177927A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-15 | 南京大学 | 二维氮化碳载铁单原子催化剂及其制备方法和应用 |
| CN114749190A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-07-15 | 同济大学 | 一种用于连续流药物废水处理的芬顿助催化剂制备及应用 |
| CN115007192A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-09-06 | 南华大学 | 一种氮化碳基单原子镍纳米材料及其制备方法和应用 |
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