生物炭改性钒酸铋催化剂、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种生物炭改性钒酸铋催化剂的制备方法，包括如下步骤：步骤一、生物炭的制备：将核桃壳制作成核桃壳生物炭；步骤二、生物炭改性钒酸铋催化剂的制备：将一定量P123完全溶解于浓硝酸中，然后加入乙醇，在剧烈搅拌下加入Bi(NO

【技术实现步骤摘要】
生物炭改性钒酸铋催化剂、制备方法及其应用
本专利技术涉及一种催化剂、制备方法及其应用，具体涉及一种生物炭改性钒酸铋催化剂、制备方法，及其在磺胺废水处理中的应用。
技术介绍
随着社会经济发展，环境污染已成为人类面临的最大威胁之一。化石燃料的过度消耗，有毒化学物质的排放导致全球变暖和水质污染，给人类的生存带来极大挑战。特别是快速发展的工业化，使染料、重金属、农药和表面活性剂等污染物大量排放，对生态环境和物种生存造成了严重影响。人类只有采取有效的方法解决污染源排放和污染物治理问题，才可以抑制环境和水源污染现象的继续增长。随着水污染处理技术的不断进步，以高级氧化工艺为基础的光催化技术，逐渐成为水污染处理的研究热点。光催化技术具有环境友好、经济可行和操作过程简单以及不会产生二次污染的特点，在能源和环境领域越来越受到广泛的重视。自从1972年日本科学家Fujishima和Honda发现单晶二氧化钛(TiO2)电极在光照下能够光解水制备氢气(H2)的现象后，光催化技术得到了迅速的发展。TiO2以其廉价、无毒且稳定等优点，迅速成为光催化领域的研究热点。但是，由于TiO2的带隙较宽(Eg≈3.2eV)，只能被太阳光谱中仅占5％左右的紫外光激发，而占太阳光能绝大部分(45％)的可见光却无法被其利用，使得太阳光利用率比较低。因此，研发能吸收太阳光能量中的可见光部分的窄带隙新型光催化剂势在必行。自1998年Kudo首次报道了BiVO4在AgNO3溶液中可见光下分解水产生O2后，BiVO4作为一种良好的可见光光催化剂引起了学者们的关注。BiVO4由于其无毒、带隙能低、耐腐蚀等优点，广泛应用于水中有机污染物的光催化降解，是一种很有发展前景的光催化剂。但是，在研究过程中发现BiVO4存在严重的缺陷：比表面积很小以及光生载流子在体相内快速复合导致其量子产率很低。为了改善这一缺点，学者们探索了许多方法，如形貌调控、元素掺杂、半导体复合和碳复合材料等。其中BiVO4与碳复合越来越受到关注。碳可以作为电子转移的桥梁，从而降低光催化过程中光生电子和空穴的复合速率。此外，碳具有很大的比表面积，可以有效地吸附污染物，提高光催化效率。常用的碳如活性炭、石墨烯、C60、C70等，由于其价格高，限制了其广泛的应用。因此，我们希望开发廉价且易得的炭。生物炭是由生物质制备的，原料种类繁多，价格低廉，且生物炭表面含有丰富的官能团，有利于污染物的吸附。综上所述，目前存在的问题是：1，BiVO4比表面积小，导致在光催化反应中活性位点少，活性差；2，BiVO4光生电荷复合几率高，光生载流子寿命短，导致光催化活性变差；3，BiVO4可见光利用范围窄；4，常用的碳如活性炭、石墨烯、C60、C70等，由于其价格高，限制了其广泛的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种原料来源广泛、光催化能力强的生物炭改性钒酸铋催化剂的制备方法。本专利技术是这样实现的：一种生物炭改性钒酸铋催化剂的制备方法，包括如下步骤：步骤一、生物炭的制备将核桃壳用去离子水清洗，然后干燥去除核桃壳表面的水分，将干燥后的核桃壳破碎过筛，将得到的核桃壳粉末浸入1～3mol/L的ZnCl2溶液中24h后，去除上清液，于105℃的烘箱中干燥24h，得到的样品在管式炉中于氮气气氛下，按照5～10℃/min的升温速率升温至300至800℃，控制温度恒定，开始计时，热解3h后停止加热，冷却至室温取出，将冷却后的核桃壳生物炭再次破碎并过筛，然后将核桃壳生物炭与足量的0.5～1.5mol/L的HNO3溶液混合，并超声处理30min，然后用去离子水离心洗涤至中性。最后，将样品在60～90℃的鼓风干燥箱中干燥完全，得到核桃壳生物炭；步骤二、生物炭改性钒酸铋催化剂的制备将一定量的P123完全溶解于浓硝酸中，然后加入浓硝酸体积10～30倍的乙醇，在剧烈搅拌下按照最终制备的钒酸铋：P123摩尔比为1:0.01～0.05的比例，将一定量的Bi(NO3)·5H2O溶于上述溶液中，接着在剧烈搅拌下加入与Bi(NO3)·5H2O等摩尔的NH4VO3到上述溶液中，最后用NaOH和HNO3调节溶液pH值为7。将所得溶液搅拌0.5～2h，然后将混合物转移到四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，保持高压釜内总溶液的体积不少于高压釜内体积的2/3，如少于则添加乙醇，然后在鼓风干燥箱中加热到120℃并保持12h，自然冷却到室温后，将得到的黄色沉淀先用乙醇离心洗涤3～5次，随后用去离子水离心洗涤各3～5次，然后在80℃的鼓风干燥箱中干燥12h，得到生物炭改性钒酸铋催化剂。更进一步的方案是：干燥去除核桃壳表面的水分，是指在60～90℃的烘箱中干燥0.5～1h。更进一步的方案是：所述过筛是过100目筛。更进一步的方案是：将样品在60～90℃的鼓风干燥箱中干燥完全，是干燥2～5h。本专利技术中，因为核桃壳主要由木质纤维素组成，本专利技术采用ZnCl2溶液通过浸蚀、水解、氧化反应可使大分子逐渐解聚，使原料内部形成微孔。本专利技术采用热解的目的是使水解氧化后的木质纤维素在无氧环境发生裂解，由大分子的聚合物成为含碳的小分子，且在裂解过程中因为无定形碳结构的变化，会形成错综的多孔隙结构。升温速率一般是5～10℃/min，因为纤维素和半纤维素在450℃以下逐渐开始分解，是一个过程反应，因此升温速率不能太快，以保证组分分解完全。本专利技术中，再次破碎并过筛，是由于热解之后的核桃壳会发生团聚，所以需要二次过筛，保证热解后的生物炭颗粒粒径相同。利用HNO3处理生物炭的目的，一是酸洗处理掉焙烧后表面的灰分杂质，留下含碳结构的物质；二是可以通过化学反应增加生物炭的表面官能团结构，可进一步提高生物炭对降解分子的吸附作用。热解之后继续干燥的步骤，以保证在制备光催化剂之前的生物炭是完全处于干燥状态，判断依据就是生物炭颗粒分散，不粘结，一般干燥2h～5h即可。本专利技术中，P123是模板剂，主要是控制钒酸铋晶粒排列的有序度；浓硝酸的作用：一是溶解P123，二是Bi(NO3)·5H2O水解会生成沉淀，而在浓硝酸中就可以抑制水解；用乙醇原理是使Bi3+与羟基·OH发生螯合反应，通过“空间位阻”效应，对BiVO4产生分散效果，可避免BiVO4发生团聚；剧烈搅拌的搅拌速度没有定量，一般是保证混合溶液能够完全被搅动起来即可；pH值直接影响BiVO4的形貌，因此pH值必须严格控制，本实验中的pH值调节约为7(使用的是精密试纸)；溶液体积超过反应釜的2/3是保证反应釜内上部空间体积一定，在水热过程中能够形成一定的压力，确保钒酸铋晶粒生长排列有序，晶型完整；离心洗涤的目的是去除游离的Bi3+以及多余的生物炭。本专利技术还提供了一种生物炭改性钒酸铋催化剂，是通过生物炭改性钒酸铋催化剂的制备方法制备得到的。本专利技术还提供了一种生物炭改性钒酸铋催化剂的应用，是用于对磺胺废水进行处理。将生物炭改性钒酸铋催化剂用于对磺胺废水进行处理时，生物炭改性钒酸铋催化剂的加入量是磺胺废本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物炭改性钒酸铋催化剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：/n步骤一、生物炭的制备/n将核桃壳用去离子水清洗，然后干燥去除核桃壳表面的水分，将干燥后的核桃壳破碎过筛，将得到的核桃壳粉末浸入1～3mol/L的ZnCl

【技术特征摘要】
1.一种生物炭改性钒酸铋催化剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、生物炭的制备
将核桃壳用去离子水清洗，然后干燥去除核桃壳表面的水分，将干燥后的核桃壳破碎过筛，将得到的核桃壳粉末浸入1～3mol/L的ZnCl2溶液中24h后，去除上清液，于105℃的烘箱中干燥24h，得到的样品在管式炉中于氮气气氛下，按照5～10℃/min的升温速率升温至300至800℃，控制温度恒定，开始计时，热解3h后停止加热，冷却至室温取出，将冷却后的核桃壳生物炭再次破碎并过筛，然后将核桃壳生物炭与足量的0.5～1.5mol/L的HNO3溶液混合，并超声处理30min，然后用去离子水离心洗涤至中性；最后，将样品在60～90℃的鼓风干燥箱中干燥完全，得到核桃壳生物炭；
步骤二、生物炭改性钒酸铋催化剂的制备
将一定量的P123完全溶解于浓硝酸中，然后加入浓硝酸体积10～30倍的乙醇，在剧烈搅拌下按照最终制备的钒酸铋：P123摩尔比为1:0.01～0.05的比例，将一定量的Bi(NO3)·5H2O溶于上述溶液中，接着在剧烈搅拌下加入与Bi(NO3)·5H2O等摩尔的NH4VO3到上述溶液中，最后用NaOH和HNO3调节溶液pH值为7；
将所得溶液搅拌0.5～2h，然后将混合物转移到四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，保持高压釜内总溶液的体积不少于高压釜内体积的2/3，如少于则添加乙醇，然后在鼓风干燥箱中加热到120℃并保持12h，自然冷却到室温后，将得到的黄色沉淀先用乙醇离心洗涤3～5次，随后用去离子水离心...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪乔，郭梦圆，向洪媛，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川;51