本发明专利技术公开了一种用于处理含酚工业废水的钐单原子基类芬顿催化膜。本发明专利技术开发了一种氮化碳负载的稀土钐单原子催化剂，首先获得高密度均匀分散的钐单原子活性位点的催化剂粉末，进一步将所述催化剂粉末负载到具有稳定化学性质的平板微滤膜上，制得具有类芬顿活化特性的催化膜。本发明专利技术的目的是解决催化剂金属活性位点数量少，稳定性差及催化体系面临的活性氧物种淬灭的问题。所述的类芬顿催化膜通过原位活化过硫酸盐可在长时间连续流下高效降解水体中的酚类有机污染物，并且对无机离子、天然有机物和pH值表现出较强的抗干扰能力。此外，该催化膜在强化有机污染物去除的同时有利于催化剂回收再利用，在水处理技术领域的应用优势明显。优势明显。优势明显。
【技术实现步骤摘要】
一种用于处理含酚工业废水的钐单原子基类芬顿催化膜
[0001]本专利技术涉及水处理
，具体涉及一种用于处理含酚工业废水的钐单原子基类芬顿催化膜。
技术介绍
[0002]酚类化合物广泛应用于石化、制药、印染、塑料、橡胶等工业领域，同时产生大量的含酚废水。酚类污染物是一类在环境中广泛存在的内分泌干扰物，具有很强的生物毒性和持久性，长期暴露在环境中会对人体肝脏、肾脏、血液和神经系统造成许多毒副作用，其在环境介质中的残留与频频检出的相关问题也不断引起各国的重视。因此，如何安全、经济、有效地去除环境中这类污染物，成为众多研究人员面临的问题。
[0003]近年来，基于过硫酸盐(PMS)活化的类芬顿反应由于具有极高的氧化能力、快速反应动力学和高反应选择性，被认为是消除有机污染物的一种很有前景的高级氧化技术。目前，过渡金属催化剂由于其在去除难降解有机污染物方面的功效而被证明是很有前途的过硫酸盐非均相活化剂。然而，这类材料通常暴露的活性位点有限且利用率低。近年来，新兴的单原子催化剂因其近100％原子利用效率，均匀且可控的金属活性位点，兼具均相催化和多相催化剂的优点，表现出传统纳米催化剂无法达到的催化活性和选择性，成为环境催化中极具吸引力的材料。
[0004]高效、稳定、经济的环境应用催化剂的设计对于可持续发展至关重要。尽管单原子催化剂在环境催化领域特别是水处理中具有广阔的发展前景，但是单原子作为活性位点其负载量较低(通常小于1wt％)且在使用过程中往往面临着金属离子浸出的问题，在降低催化剂活性及稳定性的同时对水体造成二次污染。另一方面，类芬顿活化产生的活性氧物种(硫酸根自由基，羟基自由基，单线态氧等)在水中的寿命较短(小于40微秒)，因此活性氧物种到目标污染物的传质速率是限制催化性能的又一关键因素。
[0005]针对上述问题，如何合理地开发设计高效且稳定的单原子类芬顿催化剂并优化反应体系以增强传质是实现污染物高效去除的关键。
技术实现思路
[0006]针对单原子位点的负载量低，稳定性差及受到反应过程中传质速率的限制，本专利技术通过热解法将稀土元素钐(Sm)锚定在氮化碳(NC)载体上，钐元素具有丰富的电子轨道可以与载体上的阴离子形成强的配位键并在载体表面高度分散，有利于提高钐原子的负载量和稳定性；再者，钐金属位点与载体形成的钐
‑
氮配位键可作为电子传输通道，加速界面电子传输，极大提升类芬顿活化性能。
[0007]本专利技术所述的催化剂通过络合得到的尿素
‑
钐络合物经高温热解、酸刻蚀得到。具体包括如下步骤：
[0008]步骤1：将尿素溶于浓度为2
‑
20mM的氯化钐水溶液中，进行超声处理0.5
‑
2小时，然后将上述混合溶液放置于油浴锅中在80
‑
120℃恒温下持续加热搅拌2
‑
4小时，待冷却室温
后获得得黄色尿素
‑
钐络合物粉体并充分研磨；
[0009]步骤2：将所述尿素
‑
钐络合物粉体置于氩气气氛，400
‑
600℃的管式炉中热解3小时,即可得到氮化碳负载的钐催化剂；
[0010]步骤3：将所述氮化碳负载的钐催化剂分散在1M盐酸溶液在60℃恒温下加热搅拌4
‑
20小时，其目的之一是洗掉与载体结合不稳定的钐物种，另一目的是使氮化碳载体产生足够的氮缺陷位点以锚定钐单原子，提高金属活性位点的数量和稳定性。随后，用去离子水洗涤样品，直到洗脱液pH达到中性，离心干燥制得氮化碳负载的钐单原子催化剂。
[0011]步骤4：将所述高活性氮化碳负载的钐单原子催化剂分散在去离子水中，进行超声处理5
‑
20分钟，然后，上述均匀悬浮液通过真空过滤使得催化剂沉积组装在孔径为0.45μm的醋酸纤维素膜上，催化剂在微滤膜上负载量为2
‑
8mg/cm2，得到钐单原子基催化微滤复合膜。
[0012]所述钐单原子催化剂催化降解污染物的性能，将钐单原子催化剂粉末与过硫酸盐氧化剂加入污染物溶液中。
[0013]其中，催化剂的用量为10
‑
50mg/L，最优用量为20mg/L。
[0014]其中，过硫酸盐浓度为0.2
‑
2.0mM，最优浓度为0.5mM，污染物浓度为20mg/L。
[0015]其中，在降解体系初始pH的研究中，初始pH为3.0
‑
11.0，最优初始pH为7.0。
[0016]钐单原子催化剂在最优条件下可高效活化过硫酸盐实现对多种酚类有机污染物(4
‑
氯酚，双酚A，双酚F，苯酚，2,4
‑
二氯苯酚)的降解。
[0017]一种钐单原子基类芬顿催化膜制备及其在酚类废水处理中的应用，所述的钐单原子基类芬顿催化膜通过将钐单原子催化剂分散液真空抽滤到醋酸纤维素滤膜上制得。当含过硫酸盐和污染物的水通过膜时，沉积在膜上的钐单原子可实现对过硫酸盐的原位活化从而高效降解污染物。
[0018]其中，膜通量为20～200L/m2/h。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020](1)本专利技术制备的类芬顿催化剂中钐单原子的负载量高达7.1wt％，因此可提供足够多的活性位点高效活化过硫酸盐实现对水中多种酚类污染物的降解。此外，钐原子与载体中的氮原子存在强烈的相互作用，使得钐单原子能够稳定的锚定在载体上，避免了类芬顿反应过程中钐离子浸出，显著提升了催化剂的稳定性。
[0021](2)本专利技术制备的钐单原子催化剂应用于类芬顿处理有机废水中，适用pH范围广(3～10)，且对无机盐离子(Cl
‑
,NO3‑
,HCO3‑
和HPO4‑
)，溶解性有机质，甚至实际的水基质(自来水和污水厂二级出水)均具有良好的抗干扰性。
[0022](3)本专利技术将制备的钐单原子催化剂进一步负载到具有稳定化学性质的微滤基底膜上，获得具有类芬顿活化特性的催化膜。该催化膜促进过硫酸盐活化产生活性氧物种的同时强化了对流传质，抑制了活性氧物种淬灭问题，可有效提高有机污染物去除效率；此外，该催化膜应用于水处理过程中可免去催化剂离心回收过程，其技术应用可行性显著提升。
附图说明
[0023]图1是实施例1所制备的钐单原子催化剂的透射电镜图。
[0024]图2是实施例1所制备的钐单原子催化剂的球差电镜图。
[0025]图3是实施例1、实施例2和实施例3所制备的催化剂的X射线衍射图。
[0026]图4是实施例1、实施例2和实施例3所制备的催化剂对双酚A降解效果对比图。
[0027]图5是实施例1所制备的催化剂对不同酚类污染物降解效果对比图。
[0028]图6是实施例4所制备的类芬顿催化膜连续流下降解多种酚类污染物性能图。
[0029]图7是实施例4所制备的类芬顿催化膜及再生后催化膜连续流下同时降解本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种钐单原子基类芬顿催化膜，其特征在于：该催化剂载体为氮化碳材料，活性组分为钐单原子，基底膜为纤维素微滤膜；其制备方法包括如下步骤：1)将无机钐盐和含氮前驱体溶解于去离子水中，超声处理得到均匀混合溶液；将所得混合溶液加热搅拌蒸干水分，降至室温后，进行研磨，得到含氮前驱体
‑
钐的络合物；2)将所得含氮前驱体
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钐络合物在惰性气氛下进行热解煅烧处理，得到固体粉末，将所述粉末分散到盐酸溶液中刻蚀去除与载体结合不稳定的钐物种，经水洗离心干燥得到所述钐单原子催化剂粉末；3)将所述钐单原子催化剂粉末均匀分散到去离子水中，然后以真空抽滤方式将其负载在基底微滤膜上，得到钐单原子基类芬顿催化膜。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)中所述的无机钐盐为氯化钐，含氮前驱体为尿素，氯化钐在混合液浓度为0.02
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0.1mM，加热搅拌温度为80
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120℃，恒温下持续加热时间为2
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4小时。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2)中所述的惰性气氛为氩气，所述热解煅烧步骤为：以4℃/min的速度升温至400
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600℃并保温3小时；所述盐酸溶液浓度为1M，酸刻蚀温度为60℃，刻蚀时间为4
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20小时。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3)中所述的基底微滤膜为醋酸纤维素滤膜，催化剂在微滤膜上负载量为2
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8mg/cm2。5....
【专利技术属性】
技术研发人员：牛连勇，
申请(专利权)人：江苏智诚达环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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