利用磁性纳米材料耦合过硫酸盐处理水体中抗生素的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料耦合过硫酸盐体系处理水体中抗生素的方法，包括以下步骤：将磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料与含抗生素的水体振荡混合吸附后加入一定量的过硫酸盐，完成对水体中抗生素的降解。最后，用商用磁铁将材料吸出并洗涤即可重复利用。其中，该磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料包含磁性钴纳米颗粒和氮掺杂的多孔碳材料，磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料中。本发明专利技术利用磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料耦合过硫酸盐体系处理水体中抗生素的方法，不仅处理工艺简单、操作方便、设备简单、成本低，而且处理效率高、去除效果好、重复利用率高、清洁无污染，是一种可以被广泛采用、能够高效去除抗生素的处理方法，具有很高的应用价值和商业价值。

【技术实现步骤摘要】
利用磁性纳米材料耦合过硫酸盐处理水体中抗生素的方法
本专利技术属于含抗生素的水体处理领域，涉及一种处理水体中抗生素的方法，具体涉及一种利用磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料耦合过硫酸盐体系处理水体中抗生素的方法。
技术介绍
近几十年来，制药和个人护理产品(PPCPs)的大量生产和消费给水生环境和人类健康带来了威胁。高级氧化法是一种产生活性氧(ROS)的方法，由于对有机污染物的矿化程度高，操作简单，因此被广泛地应用到溶液处理上。过硫酸盐(PMS)是一种典型的氧化剂，利用辐照、加热、超音波、过渡金属催化等方法，活化过硫酸盐生成活性氧，用于溶液修复。相对于物理或化学方法，催化方法不仅活化效率高，而且可以减少外加能量及化学试剂的投入，大幅降低应用成本。值得注意的是，过硫酸盐可以参与双电子转移反应(E0(HSO5-/SO42-)＝1.75VNHE)，这种单态氧(1O2)诱导的氧化反应具有较高的催化性能，受水体的干扰较少。过渡金属颗粒耦合过硫酸盐体系为环境修复领域提供了新思路。传统的过渡金属催化剂虽然活性较高，但是在非均相反应过程中会不可避免地在水体中释放金属离子而造成二次污染。用稳定的非金属材料对金属颗粒进行空间限域可以保持金属材料高活性的同时有效地解决金属析出的问题。金属有机骨架(MOF)材料是一类由金属离子或金属簇单元与有机配体构建形成的新型多孔功能材料，也是限域过渡金属颗粒的理想载体。由于MOF的弱稳定性，难以直接将其运用在水处理上。将MOF在惰性气体中热解会生成多孔碳限域金属纳米颗粒的复合材料。通常情况下，MOF中互相相连的微小孔道适于做客体隔离金属来源，并在热解过程中有效避免金属的扩散及团聚且含氮的有机配体(如ZIFs系列)中丰富的氮原子有助于产生氮掺杂的碳以稳定小的金属团簇。现有的MOF材料往往存在稳定性差、催化活性不高、难以重复利用等问题。因此，如何全面改善现有MOF材料中存在的问题和不足，获得一种稳定性能好、催化活性高、易回收再利用的基于MOF材料的空间限域催化材料，对于提高MOF材料在含抗生素的水体处理中的应用范围具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种、去除效果好、重复利用率高、清洁无污染的利用磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料耦合过硫酸盐体系的方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种利用磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料耦合过硫酸盐体系处理水体中抗生素的方法，其特征在于，包括以下步骤：将磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料与含抗生素的水体振荡混合吸附后加入一定量的过硫酸盐，完成对水体中抗生素的降解。最后，用商用磁铁将材料吸出并洗涤即可重复利用。所述磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料包含磁性钴纳米颗粒和氮掺杂的多孔碳材料，所述磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料中。上述的方法，进一步改进的，所述磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料的比表面积335.52m2/g。上述的方法，进一步改进的，所述的磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、六水合硝酸钴、二-甲基咪唑分别溶于有机溶剂中；S2、将步骤S1中的二-甲基咪唑溶液缓缓加入六水合硝酸钴溶液中并搅拌，得到紫色自牺牲模板(沸石咪唑骨架，ZIF-67)；S3、自牺牲模板置于氮气氛围中煅烧，得到磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料。上述的方法，进一步改进的，所述六水合氯化钴与二-甲基咪唑的摩尔比为1∶4；所述六水合氯化钴、二-甲基咪唑和有机溶剂的摩尔比为1∶4∶494；所述有机溶剂为甲醇。上述的方法，进一步改进的，步骤S2中，所述搅拌的转速为100r/min～200r/min；所述搅拌的时间为20h。上述的方法，进一步改进的，所述搅拌得到ZIF-67后还包括以下步骤：对搅拌后生成的产物进行离心、洗涤和干燥。所述离心的转速为3000r/min～5000r/min；所述洗涤采用的是甲醇；所述洗涤的次数为3次～5次；所述干燥在真空条件下进行；所述干燥的温度为60℃～100℃；所述干燥的时间为8h～12h。上述的方法，进一步改进的，步骤S3中，所述煅烧反应的起始温度为10℃～30℃，升温速率为5℃/min，在氮气氛围中加热到300℃并保温1h，再继续升温至800℃并保温2h，再自然冷却。上述的方法，进一步改进的，所述煅烧反应完成后还包括以下步骤：对煅烧反应完成后得到的反应产物进行洗涤、磁性回收和干燥；所述洗涤采用的是去离子水；所述洗涤的次数为3次～5次；所述磁性回收采用的是商用磁铁；所述干燥在真空条件下进行；所述干燥的温度为60℃～100℃；所述干燥的时间为8h～12h。上述的方法，进一步改进的，所述磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料与含抗生素的水体的质量体积比为0.2g∶1L。上述的方法，进一步改进的，所述含抗生素的水体中的抗生素为盐酸四环素、土霉素、金霉素以及强力霉素；所述含抗生素的水体中抗生素的浓度为5mg/L～70mg/L；所述含抗生素的水体的pH为2～12。上述的方法，进一步改进的，所述振荡吸附的转速为200r/min～300r/min；所述振荡吸附的时间为0.5h。上述的方法，进一步改进的，所述振荡吸附完成后还包括以下处理：加入一定量的过硫酸盐(PMS)对振荡吸附完成后的反应产物进行催化降解反应；所述催化反应的时间为0.5h。所述过硫酸盐投加量为0.05g/L～0.4g/L。上述的方法，进一步改进的，催化反应完成后，用商用磁铁将材料析出并收集。将收集的反应后的材料浸泡在水中，并置于超声清洗仪中超声清洗0.5～2h，清洗完成后对收集的材料进行干燥。所述清洗次数为3～5次；所述干燥在真空条件下进行；所述干燥的温度为60℃～100℃；所述干燥的时间为8h～12h。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供了一种利用磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料耦合过硫酸盐体系处理水体中抗生素的方法，将磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳与含抗生素的水体混合进行振荡吸附，在达到吸附平衡的悬浮液中加入一定量的过硫酸盐，进行催化降解反应，能够实现对水体中抗生素的高效降解。本专利技术方法，不仅处理工艺简单、操作方便、设备简单、成本低，而且处理效率高、去除效果好、重复利用率高、清洁无污染，是一种可以被广泛采用、能够高效去除水体中的抗生素，具有很高的应用价值和商业价值。(2)本专利技术采用的磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料包含磁性钴纳米颗粒和氮掺杂的多孔碳，其中磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳中。高孔隙率、高表面积的氮掺杂的多孔碳骨架不仅有利于磁性钴纳米颗粒的均匀分布，而且促进了磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳与抗生素分子之间的传质过程。磁性钴纳米颗粒被限制在氮掺杂的多孔碳中，这对催化剂的稳定性至关重要。氮与钴元素之间的电子转移使得磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料能有效地催化过硫酸盐产生活性氧物种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料耦合过硫酸盐体系处理水体中抗生素的方法，其特征在于，包括以下步骤：将磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料与含抗生素的水体振荡混合吸附后加入一定量的过硫酸盐，完成对水体中抗生素的降解。最后，用商用磁铁将材料吸出并洗涤即可重复利用。所述磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料包含磁性钴纳米颗粒和氮掺杂的多孔碳材料，所述磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料中。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料耦合过硫酸盐体系处理水体中抗生素的方法，其特征在于，包括以下步骤：将磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料与含抗生素的水体振荡混合吸附后加入一定量的过硫酸盐，完成对水体中抗生素的降解。最后，用商用磁铁将材料吸出并洗涤即可重复利用。所述磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料包含磁性钴纳米颗粒和氮掺杂的多孔碳材料，所述磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料中。


2.根据权利要求1所述的磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料，其特征在于，所述磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料的比表面积335.52m2/g。


3.一种如权利要求1或2所述的磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、六水合硝酸钴、二-甲基咪唑分别溶于有机溶剂中；
S2、将步骤S1中的二-甲基咪唑溶液缓缓加入六水合硝酸钴溶液中并搅拌，得到紫色自牺牲模板(沸石咪唑骨架，ZIF-67)；
S3、自牺牲模板置于氮气氛围中煅烧，得到磁性钴纳米颗粒限域于氮掺杂的多孔碳材料。


4.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，所述六水合氯化钴与二-甲基咪唑的摩尔比为1∶4；所述六水合氯化钴、二-甲基咪唑和有机溶剂的摩尔比为1∶4∶494；所述有机溶剂为甲醇。


5.根据权利要求3～4中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述搅拌的转速为100r/min～200r/min；所述搅拌的时间为20h。
所述搅拌得到ZIF-67后还包括以下步骤：对搅拌后生成的产物进行离心、洗涤和干燥。所述离心的转速为3000r/min～5000r/min；所述洗涤采用的是甲醇；所述洗涤的次数为3次～5次；所述干燥在真空条件下进行；所述干燥的温度为60℃～100℃；所述干燥的时间为8h～12h。

【专利技术属性】
技术研发人员：钟仁华，李威，彭诗阳，朱娟，钟吉华，李和平，
申请(专利权)人：湖南垚恒环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43