一种硫化钴负载生物炭催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种硫化钴负载生物炭催化剂及其制备方法和应用，属于环境污染治理领域。该催化剂的制备方法为：先将生物质材料和六水硝酸钴加入盐酸和乙醇的混合水溶液中，然后加入硫脲，反应结束后经水热反应得到预热解的掺硫化钴生物质粉末，热解后得到硫化钴负载生物炭催化剂。将该催化剂和过氧化单硫酸钾盐加入含有机污染物的水体中，即可实现水体有机污染物的降解。本发明专利技术的催化剂适用pH范围广泛，有机物去除效率高，且制备方法简单，可操作性强，持久性好，催化时间短，具有广阔的应用前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种硫化钴负载生物炭催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及环境污染治理领域，特别是涉及一种硫化钴负载生物炭催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着社会经济的快速发展，涉及到有机产品的应用也在不断地增加，有机污染物的数量与种类逐年增长，使大量的有毒有害物质进入到大气、水体、土壤等环境中，给生态环境造成巨大的影响。此外，进入环境中的有机污染物在自然条件下难通过生物作用发生递降分解，它们往往通过食物链直接或间接进入生物体和人体，危害人类身体健康。因此，采用高效经济的方法控制水环境中有机污染物具有重要意义。
[0003]高级氧化技术由于在处理有机污染物方面具有良好的效率而倍受关注。传统的高级氧化技术利用H2O2、O3等产生强氧化性的
·
OH来讲解有机污染物，呈液体的H2O2难以运输和储存，不利于大规模实际运用，并且
·
OH受pH的影响很大，同时，对污染物的选择性较低，半衰期较短，在实际应用中会受到一定的限制。
[0004]近年来，基于活化过硫酸盐的高级氧化技术得到了广泛的关注。硫酸根自由基具有很高的氧化还原电位，并且相对于羟基自由基具有更长的半衰期和更高的稳定性。过硫酸盐高级氧化技术具有以下优点：(1)氧化剂为固体颗粒，稳定性好，不易失活；(2)氧化剂活化产生硫酸根自由基受pH影响小，能适应不同酸碱度的污水；(3)产生的硫酸根自由基的寿命远比羟基自由基长，这极大地提高有机污染物的降解效率。过氧化单硫酸钾盐(PMS)作为一种能产生自由基的常用过硫酸盐氧化剂，由于其在常温下较为稳定，因此通常需要外加手段(紫外光、热、微波、过渡金属离子等)进行活化才能产生活性自由基。但使用过渡金属离子活化PMS的时候，会产生引入二次污染的问题。
[0005]生物质炭(BC)是在限氧条件下由废弃生物质热解生成的环保材料，由于它具有结果稳定、孔隙发达、表面官能团丰富、原材料廉价易得等优点而被广泛应用。但是生物炭的活化效率低，反应之后难以从反应溶液中分离。
[0006]基于上述现状，提供一种活化过硫酸盐降解有机污染物效果好的生物炭催化剂材料显得十分必要。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种硫化钴负载生物炭催化剂及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题，实现对废水中难降解有机物的高效降解。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0009]本专利技术的目的之一是提供一种生物炭催化剂，所述生物炭催化剂为硫化钴负载的生物炭催化剂。
[0010]本专利技术的目的之二是提供上述生物炭催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)将生物质材料和六水硝酸钴加入盐酸和乙醇的混合水溶液中，然后向反应体
系中加入硫脲，反应结束后，将混合溶液进行水热反应，水热反应结束后冷却至室温，固液分离，将固体产物洗涤，干燥脱水，得到预热解的掺硫化钴生物质粉末；
[0012](2)在氮气环境下，将所述预热解的掺硫化钴生物质粉末进行热解，得到所述生物炭催化剂。
[0013]进一步地，所述生物质材料与六水硝酸钴中钴元素的质量比为1:0.1。
[0014]进一步地，硫脲中硫元素与六水硝酸钴中钴元素的摩尔比为1:1。
[0015]进一步地，所述水热反应的温度为180℃，时间为12h。
[0016]进一步地，所述热解的温度为600
‑
900℃，时间为3h，热解时的升温速率为5
‑
10℃/min。
[0017]进一步地，所述干燥脱水的条件为在105℃条件下干燥24h。
[0018]本专利技术的目的之三是提供上述生物炭催化剂在活化过硫酸盐降解有机污染物中的应用。
[0019]本专利技术的目的之四是提供上述生物炭催化剂活化过硫酸盐降解有机污染物的方法，包括以下步骤：
[0020]向含有机污染物的水体中加入上述生物炭催化剂及过氧化单硫酸钾盐，实现有机污染物的降解；
[0021]所述水体的pH值为1
‑
13。
[0022]进一步地，所述生物炭催化剂的浓度为0.05
‑
0.3g/L，所述过氧化单硫酸钾盐的浓度为1
‑
9mM。
[0023]本专利技术的硫化钴负载生物炭材料活化过氧化单硫酸钾盐的途径为：产生单线态氧的非自由基途径和产生硫酸根自由基、羟基自由基和超氧自由基的自由基途径。
[0024]本专利技术公开了以下技术效果：
[0025]本专利技术的催化剂材料以生物炭为原料，具有来源广泛，易于取得的优点，通过将硫化钴负载在生物炭上，并形成微球形状，增加了催化剂的活性位点，稳定性强，可再生性好，催化活性高，易于分离回收再利用。
[0026]本专利技术以单线态氧为主导、多种自由基联合作用实现有机污染物的降解，不易受水质特性影响，适用于含难降解有机污染物的污水处理，催化剂适用pH范围广泛，在pH为3
‑
11范围内均适用，可在短时间内实现磺胺甲恶唑100％去除，在五个循环后40min内去除率仍可达到91.11％。
[0027]本专利技术制备方法实现了废弃物的资源化利用，具有操作简单、成本低等优势，且工艺流程十分简单，可操作性强，持久性好，催化时间短，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1为实施例7制备的硫化钴负载生物炭材料的扫描电镜图(SEM)图；
[0030]图2为不同材料的X射线衍射(XRD)图；
[0031]图3为实施例7制备的硫化钴负载生物炭材料催化剂循环五次的SMX降解图；
[0032]图4为电子顺磁共振(EPR)检测的反应进行12min(加入过氧化单硫酸钾盐后的2min)时存在的自由基。
具体实施方式
[0033]现详细说明本专利技术的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本专利技术的限制，而应理解为是对本专利技术的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
[0034]应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
[0035]除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本专利技术所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本专利技术仅描述了优选的方法和材料，但是在本专利技术的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物炭催化剂，其特征在于，所述生物炭催化剂为硫化钴负载的生物炭催化剂。2.如权利要求1所述的生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将生物质材料和六水硝酸钴加入盐酸和乙醇的混合水溶液中，然后向反应体系中加入硫脲，反应结束后，将混合溶液进行水热反应，水热反应结束后冷却至室温，固液分离，将固体产物洗涤，干燥脱水，得到预热解的掺硫化钴生物质粉末；(2)在氮气环境下，将所述预热解的掺硫化钴生物质粉末进行热解，得到所述生物炭催化剂。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述生物质材料与六水硝酸钴中钴元素的质量比为1:0.1。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，硫脲中硫元素与六水硝酸钴中钴元素的摩尔比为1:1。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为180℃，时间为12h。6.根据权利要求2所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏佳，李佳美，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：