一种用于降解废水中有机污染物的催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种用于降解废水中有机污染物的催化剂的制备方法，包括如下步骤：将壳聚糖加入至第一废水中，得到絮凝物，将所述絮凝物、过渡金属盐、氮源及造孔剂混合均匀后冻干，得到前驱体，在非活性气体保护下，将所述前驱体在700

【技术实现步骤摘要】
一种用于降解废水中有机污染物的催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于废水处理
，尤其是一种用于降解废水中有机污染物的催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着化学工业和城市化的不断发展，工业废水的大量排放造成的水体污染问题是当前急需解决的环境问题之一。水是人类赖以生存的重要资源。地球上的水虽然数量巨大，但可以直接被人们生产生活利用的却少之又少。地球上的淡水资源仅占其总量的2.5％，且绝大部分淡水资源存在于难以利用的南北两极的冰山和陆地高山冰川中，人类真正能够利用的仅占地球总水量的0.26％。特别是近几年来，由于化工医药等工业的快速发展，其排放的各种废水中还有大量难以自然降解的有毒物质，如酚类、抗生素、染料等。这些被污染的废水通过自然循环系统对生态系统和人类健康造成巨大危害。另外，人类还面临温室气体过度排放导致的环境和气候变化问题。工业生产的多样性使产生的排水污染性质也纷繁复杂，工业上处理废水常采用多级处理工艺。各种多级处理废水工艺中几乎都存在混凝絮凝步骤，但絮凝后的固废物往往得不到合理的利用，这就导致了二次污染的问题。
[0003]此外，近年来随着高级氧化处理废水污染物技术的发展，基于过一硫酸盐(PMS)的高级氧化法受到了广泛关注，相对于传统的Fenton体系，PMS具有更强的氧化能力以及更广的pH适用范围，因此极具应用潜力。在该反应中催化剂的作用十分关键，开发一种制备简单、成本低廉、高催化性能的催化剂对于该反应的实际应用意义重大。
[0004]通过检测，尚未发现与本专利技术专利申请相关的专利公开文献。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种用于降解废水中有机污染物的催化剂及其制备方法与应用。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种用于降解废水中有机污染物的催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0008]将壳聚糖加入至第一废水中，得到絮凝物，将所述絮凝物、过渡金属盐、氮源及造孔剂混合均匀后冻干，得到前驱体，在非活性气体保护下，将所述前驱体在700
‑
900℃下煅烧，得到所述催化剂，即钴单原子负载的氮掺杂多孔碳；
[0009]其中，所述第一废水为包括至少一种染料有机污染物的废水，所述造孔剂为聚苯乙烯微球。
[0010]进一步地，所述催化剂包括孔径为40
‑
80nm及160
‑
200nm的孔。
[0011]进一步地，所述有机污染物选自甲基橙、偶氮宝石红、新胭脂红、橙黄Ⅱ和考马斯亮蓝中的至少一种；优选地，所述有机污染物为甲基橙。
[0012]进一步地，所述过渡金属盐选自六水合氯化钴和六水合硝酸钴中的至少一种；优
选为六水合氯化钴；
[0013]所述氮源选自三聚氰胺、尿素和双氰胺中的至少一种，优选为三聚氰胺；
[0014]或者，所述壳聚糖与所述有机污染物的重量比为4
‑
6:1，优选为5:1；
[0015]和/或，所述絮凝物与所述过渡金属盐的重量比为4.2
‑
62.5：1，优选为10.4：1；
[0016]和/或，所述造孔剂与所述絮凝物的重量比为6
‑
12:1，优选为8:1；
[0017]和/或，所述过渡金属盐与所述氮源的重量比为0.05
‑
0.4:1，优选为0.16:1。
[0018]进一步地，所述前驱体的具体制备步骤如下：
[0019]将絮凝物加入到酸液中，充分溶解后，加入过渡金属盐和氮源，搅拌至少8h后，加入造孔剂，搅拌至少8h后，冻干，得到前驱体；
[0020]或者，所述催化剂的具体制备步骤如下：
[0021]将所述前驱体在700
‑
900℃下煅烧1.5
‑
2.5h后，自然冷却至室温，得到所述催化剂；其中升温速率为1.5
‑
2.5℃/min。
[0022]进一步地，所述酸液为冰乙酸；
[0023]将所述前驱体在800℃下煅烧2h后，自然冷却至室温，得到所述催化剂；其中升温速率为2℃/min。
[0024]进一步地，所述絮凝物与冰乙酸的重量比为0.417：1。
[0025]如上所述的制备方法制得的催化剂。
[0026]如上所述的催化剂在降解废水中有机污染物中的应用。
[0027]利用如上所述的催化剂降解废水中有机污染物的方法，包括如下步骤：
[0028]将所述催化剂加入至含有有机污染物的第二废水中，分散均匀后，加入过一硫酸盐，搅拌；
[0029]其中，所述有机污染物包括双酚A、苯酚、罗丹明B、甲基橙和2,4
‑
二氯苯酚中的至少一种；
[0030]所述催化剂与所述有机污染物的重量比为0.2
‑
0.8：1，优选为0.5:1；
[0031]所述过一硫酸盐在所述第二废水中的质量浓度为200～500mg/L，优选为300mg/L。
[0032]本专利技术取得的优点和积极效果为：
[0033]1、本专利技术催化剂以壳聚糖这种安全无毒的天然高分子生物质为絮凝剂，将处理废水后产生的二次污染物通过热解活化处理，将其转化为高催化氧化降解活性的氮掺杂多孔碳催化剂，对废水治理具有双重意义。
[0034]2、本专利技术催化剂，金属原子与氮原子处于强配位状态，避免了金属原子的浸出，且使金属原子处于单原子分散状态，提高了金属原子利用率，降低了成本，提高了催化剂的稳定性。
[0035]3、本专利技术催化剂的制备过程中无需水洗过程、操作简便、成本较低、催化剂收率高、操作范围广、使用寿命长，普适性强、易于实现工业化。
[0036]4、本专利技术催化剂用于氧化处理废水污染物时，能够优化传质效应，增大与污染物的接触面积，提升催化氧化活性，且稳定的大孔结构不易被反应中间体堵塞，因此具有优异的再生能力。
[0037]5、本专利技术催化剂以废水中的固体絮凝物作为碳源，并加入过渡金属盐及氮源进行改性，且加入造孔剂，通过一步高温煅烧法合成过渡金属单原子氮掺杂三维有序大孔碳材
料，该材料中丰富的氮原子可以锚定过渡金属原子，避免煅烧过程中过渡金属原子的聚集，确保过渡金属原子能够均匀的负载在多孔碳材料中，且过渡金属以原子的活性位点的形式存在，较纳米颗粒活性位点具有更高的催化活性和稳定性；此外，该材料的三维有序大孔结构使得活性位点充分暴露，其作为高级氧化法处理废水污染物的催化剂时，能够优化传质效应，增大与污染物的接触面积，提升催化氧化活性，且稳定的大孔结构不易被反应中间体堵塞，有利于催化剂的再生。
[0038]此外，以壳聚糖作为絮凝剂，能够提供丰富的氨基及羟基，具有聚阳离子性质，因此对于有机污染物具有较好的吸附效果，且壳聚糖为天然高分子生物质，安全无毒，不会造成二次污染。工业上絮凝剂处理废水后产生的二次污染物常常得不到进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于降解废水中有机污染物的催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将壳聚糖加入至第一废水中，得到絮凝物，将所述絮凝物、过渡金属盐、氮源及造孔剂混合均匀后冻干，得到前驱体，在非活性气体保护下，将所述前驱体在700
‑
900℃下煅烧，得到所述催化剂，即钴单原子负载的氮掺杂多孔碳；其中，所述第一废水为包括至少一种染料有机污染物的废水，所述造孔剂为聚苯乙烯微球。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂包括孔径为40
‑
80nm及160
‑
200nm的孔。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述有机污染物选自甲基橙、偶氮宝石红、新胭脂红、橙黄Ⅱ和考马斯亮蓝中的至少一种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述过渡金属盐选自六水合氯化钴和六水合硝酸钴中的至少一种；所述氮源选自三聚氰胺、尿素和双氰胺中的至少一种；或者，所述壳聚糖与所述有机污染物的重量比为4
‑
6:1；和/或，所述絮凝物与所述过渡金属盐的重量比为4.2
‑
62.5：1；和/或，所述造孔剂与所述絮凝物的重量比为6
‑
12:1；和/或，所述过渡金属盐与所述氮源的重量比为0.05
‑
0.4:1。5.根据权利要求1所述的催化剂的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阳，郭旭，范晓彬，张凤宝，冯传舜，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：