一种污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂及制备方法和应用。包括如下步骤：S1.以污泥为前驱体材料，加入造孔剂，制备三级孔污泥碳材料，记作SC

A carbon based nano cluster MgO catalyst for sludge and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂及其制备方法与应用
本专利技术涉及氧化镁催化剂
，更具体地，涉及一种污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
氧化镁催化剂具有优异的催化臭氧氧化作用，但是由于其以粉末形式存在，使用后难以分离，严重地阻碍了其实际推广和应用，因此为解决上述缺陷，出现了氧化镁负载型催化剂。目前氧化镁负载型催化剂的制备，通常采用传统的沉积-沉淀法进行制备，但是在沉淀的过程中，存在不易控制催化剂成核位置、负载形成的催化剂颗粒较大、均匀性较低、易于堵塞载体空隙，造成催化位点较少，负载在载体表面的氧化镁易出现团聚现象，导致催化效率降低，所制备的氧化镁负载型催化剂重复性较差等缺点。虽然氧化镁负载型催化剂相交于氧化镁粉末，在催化效率和应用上具有一定的改善，但上述氧化镁负载型催化剂存在的缺点，仍亟待于改善，才更有助于推广氧化镁负载型催化剂的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述氧化镁负载型催化剂存在的缺陷和不足，提供一种污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂。本专利技术所述污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂，制备过程中通过使用羧酸化-离子交换的方法，将污泥前驱体材料材料先进性羧酸化改性，然后将改性后携带的羧酸基团与镁离子进行二对一的结合，最后再经过煅烧可以获得具有高催化剂转化数(TOF)的负载型催化剂材料；从根本上避免了传统沉积沉淀法制备时不易控制催化剂成核位置，负载形成的催化剂颗粒较大，均匀性较低，所制备的催化剂重复性较差等缺点。本专利技术的另一目的在于提供所述污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂的制备方法。本专利技术的再一目的在于提供所述污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂应用。本专利技术的上述目的是通过以下方案予以实现的：一种污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1.以污泥为前驱体材料，加入造孔剂，制备三级孔污泥碳材料，记作SCPS-M；S2.将SCPS-M采用氧化剂进行表面羧酸化处理，处理结束后烘干，得到的材料记作SCPS-M(AR)；S3.将SCPS-M(AR)作为吸附剂添加到硝酸镁溶液中，对镁离子进行吸附，在多孔污泥碳表面形成羧酸镁，将获得的材料记作Mg2+/SCPS-M(AR)；S4.将Mg2+/SCPS-M(AR)进行煅烧，使羧基脱水在多孔污泥碳材料表面形成纳米氧化镁团簇，即可得到所述污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂，记作MgO/SCPS-M(AR)。本专利技术所述制备方法，先将SCPS-M(当采用不同造孔剂时，材料标号中的M可随采用的造孔剂进行变化)进行羧酸化处理，使其表面的羟基均氧化成为羧酸基团，然后羧酸基团与镁离子按照2:1的摩尔数进行结合，最后再进行煅烧处理；上述制备方法，一方面，控制了催化剂的成核位置，且保证了氧化镁在前驱体材料表面覆盖的均匀性；另一方面，也避免了经过煅烧后，形成的氧化镁堵塞前驱体材料上的空隙结构，且形成的氧化镁均为纳米小颗粒，比表面积大，催化剂的催化效率高。优选地，步骤S1中，所述造孔剂为虾皮、油漆渣或苯甲酸锌中的两种或两种以上；更优选地，所述污泥为油漆渣和苯甲酸锌；更优选地，所述污泥、油漆渣和苯甲酸锌的质量比为1:1～3:1～4。优选地，所述污泥、油漆渣和苯甲酸锌的质量比为1:3:3。所述三级孔为同时具备大孔、介孔与微孔结构。优选地，步骤S2中，所述氧化剂为硫酸、高锰酸钾、硝酸或HNO3-3HCl混合酸；所述羧酸化处理过程为：SCPS-M和氧化剂混合后，在水热条件下，对SCPS-M表面进行氧化处理。当采用氧化剂进行羧酸化处理时，采用的氧化剂不同时，前驱体材料表面的酸性基团的数量不同，当氧化剂为硫酸、高锰酸钾、硝酸或HNO3-3HCl混合酸时，前驱体材料表面的酸性基团的数量较多，最高的是HNO3-3HCl混合。优选地，步骤S2中，所述氧化剂为HNO3-3HCl混合酸；所述水热条件的温度为100～200℃；氧化处理时间为6～18h。优选地，所述HNO3-3HCl混合酸的浓度为0.5～1.5molL-1；所述水热条件的温度为150℃；氧化处理时间为8～12h。当采用HNO3-3HCl混合酸作为氧化剂时，其浓度为0.5～1.5molL-1时，其氧化性较为适合，对于前驱体材料材料表面具有一定的蚀刻作用，可以略微增大材料的比表面积，从而可以提供更多的酸性基团改性位点；当其浓度太低时，则氧化性太弱，前驱体材料表面的羧酸基团数量较少；但当其浓度达到阈值后，再不断的增加氧化剂浓度，会使得前驱体材料表面受到过度的腐蚀，导致前驱体表面的多孔结构坍塌，比表面积急剧降低，从而引起了表面酸性基团携带量的降低1:10～30(g/mL)；更优选地，固液比为1:20(g/mL)。优选地，氧化处理结束后，先采用清水进行清洗，去除材料表面残留的氧化剂，然后进行烘干。优选地，步骤S3中，SCPS-M(AR)与镁离子的化学吸附反应过程如下：优选地，步骤S4中，所述煅烧的温度为400～600℃；煅烧时间为1～3h；更优选地，煅烧的温度为500℃；煅烧时间为2h。本专利技术同时还保护上述方法制备得到的污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂。所述污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂在催化臭氧氧化反应中的应用也在本专利技术的保护范围之内。优选地，所述催化剂在催化臭氧降解水中污染物中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过使用羧酸化-离子交换的方法，将污泥前驱体材料材料先进性羧酸化改性，然后将改性后携带的羧酸基团与镁离子进行二对一的结合，最后再经过煅烧可以获得具有高催化剂转化数(TOF)的负载型催化剂材料；从根本上避免了传统沉积沉淀法制备时不易控制催化剂成核位置，负载形成的催化剂颗粒较大，均匀性较低，所制备的催化剂重复性较差等缺点。上述制备方法，一方面，控制了催化剂的成核位置，且保证了氧化镁在前驱体材料表面覆盖的均匀性；另一方面，也避免了经过煅烧后，形成的氧化镁堵塞前驱体材料上的空隙，且形成的氧化镁均为纳米小颗粒，最大程度的保持前驱体材料的多级孔结构，比表面积大，大量存在的大孔、介孔和微孔结构有利于反应物在催化剂界面和内部的传导扩散，催化剂的催化效率高。附图说明图1是不同的污泥碳材料经氧化后酸性基团的含量对比图。图2是酸性基团含量与比表面积关系线性拟合图。图3是不同氧化剂对SCPS-Zn氧化后酸性基团数量的对比图。图4是SCPS-Zn与SCPS-Zn(AR)的FT-IR图。图5是SCPS-Zn和SCPS-Zn(AR)伏安特性曲线。图6是苯酚溶液的循环伏安曲线图。图7是氧化时间对SCPS-Zn氧化效果的影响。图8是HNO3-HCl浓度对SCPS-Zn氧化效果的影响。图9是温度对SCPS-Zn氧化效果的影响。图10是SCPS-Zn与SCPS-Zn(AR)对溶液中镁离子的吸附量。图11是羧酸基团与溶液中镁离子反应方程式。...

【技术保护点】
1.一种污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1.以污泥为前驱体材料，加入造孔剂，制备三级孔污泥碳材料，记作SC

【技术特征摘要】
1.一种污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.以污泥为前驱体材料，加入造孔剂，制备三级孔污泥碳材料，记作SCPS-M；
S2.将SCPS-M采用氧化剂进行表面羧酸化处理，处理结束后烘干，得到的材料记作SCPS-M(AR)；
S3.将SCPS-M(AR)作为吸附剂添加到硝酸镁溶液中，对镁离子进行吸附，在多孔污泥碳表面形成羧酸镁，将获得的材料记作Mg2+/SCPS-M(AR)；
S4.将Mg2+/SCPS-M(AR)进行煅烧，使羧基脱水在多孔污泥碳材料表面形成纳米氧化镁团簇，即可得到所述污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂，记作MgO/SCPS-M(AR)。


2.根据权利要求1所述污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述造孔剂为虾皮、油漆渣或苯甲酸锌中的两种或两种以上。


3.根据权利要求1所述污泥碳基纳米团簇氧化镁催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述氧化剂为硫酸、高锰酸钾、硝酸或HNO3-3HCl混合酸；
所述羧酸化处理过程为：SCPS-M和氧化剂混合后，在水热条件下，对SCPS-M表面进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊亚，李思阳，冯锦茜，田双红，姚玲爱，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44