一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的制备方法及其应用技术

一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的制备方法及其应用，涉及水处理技术领域。本发明专利技术的目的是为了开发一种用于活化过硫酸盐高效降解磺胺嘧啶的铁基生物炭复合材料，以解决行业内存在的技术难题。方法：本发明专利技术中S的引入导致分子轨道间能隙的减小和噻吩基团的形成；N掺杂诱导了吡咯、吡啶和石墨氮馏分的形成，增加了催化剂对电子受体的反应性；氮和硫元素为增强型PS的活化提供了良好的表面条件。本发明专利技术选择聚合物纳米纤维素为碳基，2,2,6,6四甲基哌啶

【技术实现步骤摘要】
一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及水处理
，具体涉及一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，经济的快速发展导致了污水排放和水污染的日益严重，由于抗生素的过度使用和低吸收率，大量的抗生素及其代谢物最终会进入水体，进而威胁人类的健康和生态系统的稳定。在这些抗生素中，磺胺嘧啶(SDZ)由于其不可降解的特性，逐渐在地下水中积累，对生态系统构成潜在威胁。因此，开发有效的技术和产品以从水中净化SDZ至关重要。
[0003]在众多处理方法中，高级氧化法(AOPs)氧化能力强、选择性小、反应速度快及处理效率高，可以通过产生高活性氧(ROSs)来降解各种有机污染物。其中，基于过硫酸盐(PS)的先进AOPs因其高溶解度、室温稳定性和高氧化电位而受到了研究人员的关注，且过渡金属活化过硫酸盐高级氧化法被认为是较为有效的方法之一，其中，零价铁以其低毒、廉价及易操作，而且对环境不会产生二次污染等优点，可以被视为一种良好的非均相催化剂。但零价铁易团聚，因此常将其负载在载体表面以缓解其团聚并增加其稳定性。生物炭是废生物质在有限氧气条件下热解产生的一种碳基材料，由于其优良的比表面积和丰富的孔隙结构，可以作为载体。因此，开发一种用于活化过硫酸盐高效降解磺胺嘧啶的铁基生物炭复合材料，成为行业内亟待解决的技术难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决上述技术问题，而提供一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的制备方法及其应用。
[0005]一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的制备方法，按以下步骤进行：
[0006]步骤一、OBC
N，S
的合成：
[0007]将石榴皮粉末与蒸馏水混合，在微波条件下搅拌20～40min，得到混合溶液A；将混合溶液A洗涤，然后在
‑
100～
‑
60℃的温度条件下冷冻10～30min，冷冻结束后干燥，得到干燥后的纳米纤维素；将干燥后的纳米纤维素加入到去离子水中，磁力搅拌2～4h，然后依次加入溴化钠和2,2,6,6四甲基哌啶
‑1‑
氧基，混合均匀后，得到预氧化溶液，所述的干燥后的纳米纤维素、溴化钠与2,2,6,6四甲基哌啶
‑1‑
氧基的质量比为10：(0.05～0.2)：(0.008～0.032)；向预氧化溶液内加入NaClO溶液和NaOH溶液，并将pH调节至9.5～10.5，反应10～30min后，用去离子水清洗，冷冻干燥，得到材料B；将材料B和硫脲混合，在氮气氛围下升温至800～1000℃，并在800～1000℃下热解0.5～2h，得到复合材料OBC
N，S
，所述的材料B与硫脲的质量比为1：(0.5～2)；
[0008]步骤二、S
‑
nZVI@OBCN,S的合成：
[0009]在氮气氛围下，将复合材料OBC
N，S
和FeCl2·
6H2O加入到脱氧去离子水中，混合均匀
后，得到目标预产物，所述的复合材料OBC
N，S
与FeCl2·
6H2O的质量比为0.2：(1.42～2.84)；向目标预产物内滴加NaBH4溶液，搅拌30～60min后，再滴加Na2S
·
9H2O溶液，继续搅拌0.5～2h，将所得产物洗涤、过滤和干燥，得到氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁，所述的目标预产物中复合材料OBC
N，S
的质量与Na2S
·
9H2O溶液的体积的比为(0.2～0.4)g：100mL。
[0010]采用上述方法制备的一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的应用，所述的一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁用于活化过硫酸盐降解磺胺嘧啶。
[0011]本专利技术的有益效果：
[0012]本专利技术制备出一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价材料(S
‑
nZVI@OBC
N,S
)，用于活化过硫酸盐高效降解SDZ。首先，S
‑
nZVI@OBC
N,S
释放出的Fe(II)能够活化过硫酸盐产生进一步和水反应生成
·
OH。S(II)的加入可以进一步将Fe(III)还原为Fe(II)和S0，形成Fe(II)/Fe(III)循环，从而保证了催化剂的反应活性。同时，N、S共掺杂引入了石墨N，吡啶N和噻吩S可以作为反应的活性位点，共同实现了水体中磺胺类抗生素的高效降解，且材料的适用范围广，形成的体系对不容易受到共存物质的影响，适合于推广到其它抗生素废水中。
[0013]本专利技术在碳材料中掺杂氮(N)和硫(S)元素可以提高碳材料的活化能力，S的引入导致分子轨道间能隙的减小和噻吩基团的形成；N掺杂诱导了吡咯、吡啶和石墨氮馏分的形成，增加了催化剂对电子受体的反应性；氮(N)和硫(S)元素为增强型PS的活化提供了良好的表面条件。本专利技术选择无毒、生物相容性、低成本和可持续的聚合物的纳米纤维素(NC)为碳基，2，2，6，6四甲基哌啶
‑1‑
氧基(TEMPO)修饰使纳米纤维素分散在极性有机溶液的孔隙中，得到更疏水的纳米纤维。因此，氧化后的TEMPO碳(OBC)具有优良的结构性能和较高的S
‑
nZVI还原活性。
[0014]本专利技术可获得一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的制备方法及其应用。
附图说明
[0015]图1为实施例1中氮硫共掺杂生物炭扫的扫描电镜图；
[0016]图2为实施例1中氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的扫描电镜图；
[0017]图3为实施例1中硫化纳米零价铁的透射电镜图；
[0018]图4为实施例1中氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的透射电镜图；
[0019]图5为实施例1中氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的扫描电镜图；
[0020]图6为基于图5的能谱分析的碳元素的分布图；
[0021]图7为基于图5的能谱分析的氧元素的分布图；
[0022]图8为基于图5的能谱分析的氮元素的分布图；
[0023]图9为基于图5的能谱分析的硫元素的分布图；
[0024]图10为基于图5的能谱分析的铁元素的分布图；
[0025]图11为实施例1中S
‑
nZVI@OBC
N,S
的浓度对其活化过硫酸盐降解SDZ的影响图，
■
表示0.005g，
●
表示0.01g，
▲
表示0.02g，
▼
表示0.04g，
◆
表示0.08g；
[0026]图12为实施例1中初始pH对S
‑
nZVI@OBC
N,S
活化过硫酸盐降解SDZ的影响图，
■
表示pH＝3，
●...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤进行：步骤一、OBC
N，S
的合成：将石榴皮粉末与蒸馏水混合，在微波条件下搅拌20～40min，得到混合溶液A；将混合溶液A洗涤，然后在
‑
100～
‑
60℃的温度条件下冷冻10～30min，冷冻结束后干燥，得到干燥后的纳米纤维素；将干燥后的纳米纤维素加入到去离子水中，磁力搅拌2～4h，然后依次加入溴化钠和2,2,6,6四甲基哌啶
‑1‑
氧基，混合均匀后，得到预氧化溶液，所述的干燥后的纳米纤维素、溴化钠与2,2,6,6四甲基哌啶
‑1‑
氧基的质量比为10：(0.05～0.2)：(0.008～0.032)；向预氧化溶液内加入NaClO溶液和NaOH溶液，并将pH调节至9.5～10.5，反应10～30min后，用去离子水清洗，冷冻干燥，得到材料B；将材料B和硫脲混合，在氮气氛围下升温至800～1000℃，并在800～1000℃下热解0.5～2h，得到复合材料OBC
N，S
，所述的材料B与硫脲的质量比为1：(0.5～2)；步骤二、S
‑
nZVI@OBCN,S的合成：在氮气氛围下，将复合材料OBC
N，S
和FeCl2·
6H2O加入到脱氧去离子水中，混合均匀后，得到目标预产物，所述的复合材料OBC
N，S
与FeCl2·
6H2O的质量比为0.2：(1.42～2.84)；向目标预产物内滴加NaBH4溶液，搅拌30～60min后，再滴加Na2S
·
9H2O溶液，继续搅拌0.5～2h，将所得产物洗涤、过滤和干燥，得到氮硫共掺杂生物炭负载硫化纳米零价铁，所述的目标预产物中复合材料OBC
N，S
的质量与Na2S
·
9H2O溶液的体积的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张颖，曲建华，孙铭泽，曹博，王蕾，严少娟，薛佳琪，雷月，佟琬莹，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：