利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法技术

本发明专利技术属于固废资源化处理技术领域，公开了一种利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法。将电镀污泥、有机污泥和无机盐混合后加热搅拌至水分蒸干，沉积得到含金属组分/有机碳组分/无机盐的前驱体，然后经研磨后在保护气氛下焙烧处理，得到合金纳米粒子/碳@无机盐复合物，再加入到水中溶解无机盐模板，分离回收漂浮在溶液表面的黑色物质得到导电石墨碳；剩余混合物通过离心分离，得到二维合金/碳复合纳米材料，剩余无机盐溶液经浓缩后循环使用。本发明专利技术方法不仅提高了资源的利用率，也为解决两大固废污染供了一个有经济效益的方案。

【技术实现步骤摘要】
利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法
本专利技术属于固废资源化处理
，具体涉及一种利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法。
技术介绍
目前电镀工艺产生的废水和污泥造成的环境污染问题十分严重，主要是因为电镀过程产生的废水含有高浓度的重金属离子(Cu2+、Ni2+、Cr6+、Zn2+、Fe3+等)，电镀废水处理过程中会产生大量的电镀污泥，如果不能科学、合理地对电镀污泥进行处理，会对环境造成二次污染。电镀污泥中含有的金属品位要高于常见的金属富矿石，以镍为例，常见的镍矿当镍含量达到2％时就具备商业开采的价值，而电镀污泥中的镍含量一般为2％-4％，因此资源化利用电镀污泥中的金属元素能产生可观的商业价值。目前对电镀污泥的资源化处理方法主要包括湿法提取、焙烧浸取法、碳热冶炼法等；然而这些方法处理含多元金属组分的电镀污泥时，不可避免地遇到操作复杂、元素分离困难、产物需进一步处理才能被使用的问题。因此开发一种操作简单、将电镀污泥合成为能直接应用的工业产品的工艺具有重要意义。工业有机污泥是指沉淀设备产生的以有机物为主要成分的沉淀物质，它是处理有机废水(包括生活污水)的产物。工业有机污泥含水量一般为90％以上，脱水困难，并且其贮存及处置过程都会出现腐化和高耗氧的情况，容易对环境造成污染。一般通过微生物消化法或化学药剂氧化法将有机物转化为气体来处理有机污泥。但微生物消化法需要额外供给氧气，能量消耗也大；而化学药剂氧化法难以彻底破坏污泥中的有机物，且容易形成新的污染。因此，对工业有机污泥的处理仍需开发成本更低、降解效率更高、更绿色环保的方法。专利CN103028412A公开了一种利用电镀废水或污泥制备碳黑-金属氧化物复合催化剂的方法。通过将包括有铁、锌、铬、镍、铜及钴的电镀废水或者烘干电镀污泥，与有机物含量大于1000ppm的有机废水通过混合沉淀，所得混合沉淀物在800-1000℃下裂解转化为碳黑-金属氧化物复合催化剂；该碳黑-金属氧化物复合催化剂可用于高温催化分解有机污染物。其利用的原理是电镀污泥粉末具有较大的比表面积，对有机废水中的有机物具有较大的吸附能力；在控制有机废水pH＝9-12范围内时，电镀废水、污泥中的部分金属与有机废水中有机物形成络合结构，并沉淀于电镀污泥表面。但该方法混合沉淀效果有限，部分金属成分与有机成分难以实现固液分离并得到有效利用。相转移-熔融盐-碳热法是一种能大规模制备二维纳米催化剂的方法，该方法首先是表面活性剂在液相中与金属阳离子络合，并由水相向油相运动，然后通过分液去除水相；然后将油相中的有机溶剂加热蒸发掉，剩余的表面活性剂-金属离子络合物则与一定比例的无机盐混合后研磨；研磨后的固体混合粉末则在管式炉中惰性气氛下高温还原，表面活性剂作为碳源将金属离子/氧化物还原成单质或合金。大连理工大学郝策课题组使用碳热法合成FeNi@C系列催化剂，由于具有双金属催化位点，该系列催化剂在电催化ORR和OER均表现出优异的催化性能(DOI:10.1002/chem.201904685)。华中科技大学黄亮课题组研究发现，将熔融盐法使用的盐模板在液相中与前驱体混匀后焙烧，能够制备更薄的二维纳米材料，该二维材料的催化性能也能得到进一步提升(DOI:10.1039/c7ta05821g)。因此，如能将上述技术用于固废资源化处理，将是环保产业与资源循环利用产业中的一项具有显著创新的举措。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法。本专利技术方法以电镀污泥、工业有机污泥和廉价的工业无机盐为原料，通过化学方法大批量制备成本低廉、催化性能优异的二维合金/碳复合纳米催化剂。本专利技术的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的二维合金/碳复合纳米材料。本专利技术的再一目的在于提供上述二维合金/碳复合纳米材料作为光催化水氧化、光催化降解或电催化析氧(OER)等化学反应中催化剂的应用。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法，包括如下制备步骤：(1)沉积：将电镀污泥、有机污泥和无机盐混合后，加热搅拌至水分蒸干，沉积得到含金属组分/有机碳组分/无机盐的前驱体；(2)焙烧：将步骤(1)所得前驱体经研磨后在保护气氛下焙烧处理，得到合金纳米粒子/碳@无机盐复合物；(3)分离：将步骤(2)所得合金纳米粒子/碳@无机盐复合物加入到水中溶解无机盐模板，分离回收漂浮在溶液表面的黑色物质得到导电石墨碳；剩余混合物通过离心分离，所得黑色固体为目标产物二维合金/碳复合纳米材料，剩余无机盐溶液经浓缩后在步骤(1)中循环使用。本专利技术所述的电镀污泥即电镀废水处理过程中产生的主要含铬、铁、镍、铜、锌等重金属化合物及其可溶性盐类的电镀污泥；所述的有机污泥即处理有机废水产生的以有机物为主要成分的沉淀物质。本专利技术目的的实现主要是资源化利用电镀污泥中的重金属及有机污泥中的有机碳成分，同时实现固废的无害化处理。进一步地，步骤(1)中所述无机盐包括氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾、碳酸钠、碳酸钾中的至少一种。进一步地，步骤(1)中所述无机盐的粒径优选为200目以下。进一步地，步骤(1)中所述电镀污泥、有机污泥和无机盐混合的重量比为100:(20-200):(20-500)。进一步地，步骤(1)中所述加热搅拌的温度为40-90℃，转速为500-2000rpm。进一步地，步骤(2)中所述保护气氛是指氢气体积分数为5％-20％的氢气/氩气混合气氛。进一步地，步骤(2)中所述焙烧处理的温度为300-900℃，焙烧处理的时间为0.5-4h。进一步地，步骤(3)中所述溶解无机盐模板采用40-90℃的热水搅拌10-60min。一种二维合金/碳复合纳米材料，通过上述方法制备得到。上述二维合金/碳复合纳米材料作为光催化水氧化、光催化降解或电催化析氧(OER)等化学反应中催化剂的应用。本专利技术的原理为：通过沉积步骤，电镀污泥中的金属组分和有机污泥中的含碳组分在水分蒸干的过程中沉积到无机盐表面，形成含金属组分/有机碳组分/无机盐的前驱体。然后通过焙烧步骤，电镀污泥中的多元金属氧化物被有机污泥中的碳和/或氢气还原成合金纳米粒子(包含Cr、Cu、Ni、Fe、Zn中的两种或两种以上)，同时由于无机盐模板的作用，部分碳在热解过程中形成二维纳米膜包裹在无机盐表面，形成合金纳米粒子/碳@无机盐复合物。然后通过分离步骤，无机盐模板经热水溶解，漂浮在溶液表面的黑色物质为含碳较高的部分，可通过上层液体过滤后回收用做导电石墨碳；剩余的混合物通过离心分离，分离出的黑色固体为目标产物二维合金/碳纳米复合物，分离出来的无机盐溶液经浓缩后循环使用。本专利技术的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：(1)本专利技术提供的利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法，即节省了处理两大工业固废所需的成本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法，其特征在于包括如下制备步骤：/n(1)沉积：将电镀污泥、有机污泥和无机盐混合后，加热搅拌至水分蒸干，沉积得到含金属组分/有机碳组分/无机盐的前驱体；/n(2)焙烧：将步骤(1)所得前驱体经研磨后在保护气氛下焙烧处理，得到合金纳米粒子/碳@无机盐复合物；/n(3)分离：将步骤(2)所得合金纳米粒子/碳@无机盐复合物加入到水中溶解无机盐模板，分离回收漂浮在溶液表面的黑色物质得到导电石墨碳；剩余混合物通过离心分离，所得黑色固体为目标产物二维合金/碳复合纳米材料，剩余无机盐溶液经浓缩后在步骤(1)中循环使用。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)沉积：将电镀污泥、有机污泥和无机盐混合后，加热搅拌至水分蒸干，沉积得到含金属组分/有机碳组分/无机盐的前驱体；
(2)焙烧：将步骤(1)所得前驱体经研磨后在保护气氛下焙烧处理，得到合金纳米粒子/碳@无机盐复合物；
(3)分离：将步骤(2)所得合金纳米粒子/碳@无机盐复合物加入到水中溶解无机盐模板，分离回收漂浮在溶液表面的黑色物质得到导电石墨碳；剩余混合物通过离心分离，所得黑色固体为目标产物二维合金/碳复合纳米材料，剩余无机盐溶液经浓缩后在步骤(1)中循环使用。


2.根据权利要求1所述的一种利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法，其特征在于：步骤(1)中所述无机盐包括氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾、碳酸钠、碳酸钾中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的一种利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法，其特征在于：步骤(1)中所述无机盐的粒径为200目以下。


4.根据权利要求1所述的一种利用电镀和有机污泥制备二维合金/碳复合纳米材料的方法，其特征在于：步骤(1)中所述电镀污泥、有机污...

【专利技术属性】
技术研发人员：李政，冯春全，王淦，
申请(专利权)人：佛山经纬纳科环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44