一种二维掺氮碳纳米片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种二维掺氮碳纳米片及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)将含氮有机固体废弃物和复合熔融盐混合，进行热解，反应得到热解产物；(2)对所述热解产物进行后处理，得到所述掺氮碳纳米片。本发明专利技术以含氮有机固体废弃物为碳源和氮源，以复合熔融盐为反应辅助剂，采用高温热解法制备得到了原位二维掺氮碳纳米片，可用于活化过硫酸盐氧化降解水中邻苯二甲酸酯类污染物或偶氮染料，用于吸附水体中聚苯乙烯微塑料颗粒物，以及用于强化有机固体废弃物厌氧发酵过程。该方法简单高效、经济环保，复合熔融盐可回收，实现了潜在危险固废的无害化和其资源化利用，经济和环保收益高，属于“以废治废”的综合技术。的综合技术。的综合技术。

【技术实现步骤摘要】
一种二维掺氮碳纳米片及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于碳材料制备
，具体涉及一种二维掺氮碳纳米片及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着工业发展和城市化进程的加快，城乡生态环境问题日益严重，引发各界关注。这些环境问题包括工业生产和人类生活过程中产生的废水净化和固体废弃物的处理问题。
[0003]其中，工业和市政废水的处理工艺包括预处理、二级处理和三级处理。废水经过预处理和二级处理后，出水中固体悬浮物浓度和COD值(即氧化水中可氧化物质所消耗的氧量)降低，污染程度显著降低，但废水中还含有一些难降解有机污染物，需经过三级处理进行深度降解后，才可达标排放。高级氧化技术是最常见的三级处理技术，其依靠产生的强氧化性的活性氧组分(ROS)，在降解废水中的各种难降解污染物方面发挥了主导作用。基于过硫酸盐的高级氧化技术是近年来引起广泛关注的新兴技术，过硫酸盐可被紫外线、热、碱、过渡金属离子、金属氧化物、零价铁、金属/碳复合材料或碳材料活化。一维碳纳米管、二维氧化石墨烯和还原氧化石墨烯、三维有序介孔碳和活性碳在内的碳材料是过硫酸盐的有效异相催化剂，避免了金属浸出，无二次污染问题；过程中非自由基途径一般与自由基途径共存，其氧化能力受到废水中杂质的影响小。不同构型的碳材料中，二维平面结构具有较高的导电性，优良的给电子能力，并提供更多的反应界面，氮原子表面掺杂可进一步增加碳材料的催化活性，从而可以有效催化过硫酸盐高级氧化过程以降解废水中的难降解有机污染物。
[0004]此外，塑料制品的大量应用使得大量塑料垃圾排入水体中，经河流、湖泊或海洋生态中复杂的物理化学作用，塑料垃圾被分离剪切为粒径<5mm的微塑料颗粒，其经过食物链可由水生生物传入人体内，微塑料颗粒难以被人体代谢，对人体健康产生重大威胁，因此水体中微塑料污染问题引起了广泛的关注。微塑料颗粒分子量高，化学和生物处理法难以将其降解；二维碳纳米片具有较大的比表面积，掺氮后提供了更多的吸附位点，从而可以有效地吸附水体中的微塑料污染物。
[0005]固体废弃物如畜禽粪便、餐厨垃圾和工业有机废弃物等生产量大，水含量和有机物含量高，极易消化腐坏，厌氧消化技术是一种处理有机固体废弃物的有效方法，可实现营养物质的资源化利用和能源如甲烷的清洁化生产。然而，目前的厌氧发酵技术存在甲烷产量偏低、系统中酸性抑制物质如有机酸、氰化物和硫化氢等累积的问题。有研究表明，在厌氧发酵系统中添加碳材料可以提高甲烷产量，以及降解或吸附抑制物质，从而提高厌氧发酵产沼气潜力。特别地，二维碳材料导电性好，氮的掺杂可进一步增强其导电性能，可促进厌氧发酵过程中电子传递，从而强化厌氧发酵过程。
[0006]上述的有机固体废弃物氮含量高，属于本征富氮原料，除了将其进行厌氧发酵外，还可将其作为制备掺氮碳材料的原料，这可省去在热解过程中加入含氮试剂如尿素、三聚
氰胺等其它氮源，从而简化热解步骤、节约成本。其中的抗生素菌渣是抗生素制药行业的有机固体废弃物，于2008年被列入《国家危险废物名录》。由于抗生素菌渣中含有代谢中间体和残留的抗生素，处理不当会造成严重的抗生素污染，而厌氧发酵处理法存在抗生素抑制问题，这给制药企业带来了严重的环境和成本压力。对抗生素菌渣进行热解处理可有效解决其中的抗生素残留问题，并得到掺氮碳材料，实现其无害化处理和资源化利用。
[0007]因此，利用含氮有机固体废弃物为原料合成二维掺氮碳纳米片，以解决废水中难降解有机物的去除问题、水体中微塑料污染物的去除问题以及有机固体废弃物的厌氧发酵强化问题，是当前研究的热点。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种二维掺氮碳纳米片及其制备方法和应用。本专利技术以含氮有机固体废弃物为碳源和氮源，以复合熔融盐为反应辅助剂，采用高温热解法制备得到了原位二维掺氮碳纳米片，可用于活化过硫酸盐氧化降解水中邻苯二甲酸酯类污染物或偶氮染料，用于吸附水体中聚苯乙烯微塑料颗粒物，以及用于强化有机固体废弃物厌氧发酵过程。该方法简单高效、经济环保，复合熔融盐可回收，实现了有机固体废弃物和废水的共同处理，经济和环保收益高，属于“以废治废”的综合技术。
[0009]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种二维掺氮碳纳米片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0011](1)将含氮有机固体废弃物和复合熔融盐混合，进行热解，反应得到热解产物；
[0012](2)对所述热解产物进行后处理，得到所述掺氮碳纳米片。
[0013]本专利技术以含氮有机固体废弃物为碳源和氮源，以复合熔融盐为反应辅助剂，采用高温热解法制备得到了原位二维掺氮碳纳米片，可用于活化过硫酸盐氧化降解水中邻苯二甲酸酯类污染物或偶氮染料，用于吸附水体中聚苯乙烯微塑料颗粒物，以及用于强化有机固体废弃物厌氧发酵过程，实现了有机固体废弃物的资源化利用。该方法简单高效、经济环保，复合熔融盐可回收，实现了有机固体废弃物和废水的共同处理，经济和环保收益高，属于“以废治废”的综合技术。
[0014]作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(1)所述含氮有机固体废弃物包括抗生素菌渣、畜禽粪便、餐厨垃圾、市政污泥或工业污泥中的任意一种或至少两种的组合。
[0015]本专利技术对抗生素菌渣的具体种类不作限定，示例性的，例如可以是土霉素菌渣等；本专利技术对畜禽粪便的具体种类不作限定，示例性的，例如可以是鸡粪等。
[0016]优选地，步骤(1)所述含氮有机固体废弃物中的氮含量为5
‑
20wt％，例如可以是5wt％、7wt％、9wt％、10wt％、11wt％、13wt％、15wt％、17wt％或20wt％等。
[0017]作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(1)所述复合熔融盐为复合氯盐。
[0018]本专利技术中，采用复合氯盐作为反应辅助剂，其特点是促进二维碳纳米片的定向合成，并刻蚀碳材料，在形成可控孔结构的同时，复合氯盐可以保持结构稳定，在反应结束后复合氯盐会沉积在热解产物中，可经水洗除去后再回收，实现循环使用的目的。
[0019]优选地，所述复合氯盐为二元氯盐。
[0020]本专利技术中，采用二元氯盐可以降低熔融操作温度，实现在更宽的热解温度范围内
的碳纳米片的合成技术，减少能源消耗；通过调整不同金属氯化物的组成及质量比，可以实现不同形貌结构特征的碳纳米片的制备。
[0021]优选地，所述二元氯盐包括氯化钠
‑
氯化钾、氯化钙
‑
氯化钾、氯化钙
‑
氯化钠、氯化镁
‑
氯化钾、氯化镁
‑
氯化钠、氯化锂
‑
氯化钾、氯化锂
‑
氯化钠、氯化锌
‑
氯化钾或氯化锌
‑
氯化钠中的任意一种或至少两种的组合，优选为氯化钠
‑
氯化钾。
[0022]优选地，所述氯化钠...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维掺氮碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将含氮有机固体废弃物和复合熔融盐混合，进行热解，反应得到热解产物；(2)对所述热解产物进行后处理，得到所述掺氮碳纳米片。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含氮有机固体废弃物包括抗生素菌渣、畜禽粪便、餐厨垃圾、市政污泥或工业污泥中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)所述含氮有机固体废弃物中的氮含量为5
‑
20wt％。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述复合熔融盐为复合氯盐；优选地，所述复合氯盐为二元氯盐；优选地，所述二元氯盐包括氯化钠
‑
氯化钾、氯化钙
‑
氯化钾、氯化钙
‑
氯化钠、氯化镁
‑
氯化钾、氯化镁
‑
氯化钠、氯化锂
‑
氯化钾、氯化锂
‑
氯化钠、氯化锌
‑
氯化钾或氯化锌
‑
氯化钠中的任意一种或至少两种的组合，优选为氯化钠
‑
氯化钾；优选地，所述氯化钠
‑
氯化钾中，氯化钠和氯化钾的质量比为1:(0.5
‑
3)。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含氮有机固体废弃物和复合熔融盐的质量比为1:(0.5
‑
50)，优选为1:(1
‑
20)。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合的具体步骤包括：(a)将复合熔融盐和溶剂混合，得到复合熔融盐溶液；(b)将含氮有机固体废弃物加入到所述复合熔融盐溶液中进行共混，然后依次进行干燥和研磨；优选地，步骤(a)所述溶剂包括水；优选地，步骤(a)所述复合熔融盐溶液的质量浓度为15
‑
25％；优选地，步骤(b)所述共混的过程中伴有搅拌；优选地，步骤(b)所述共混的时间为0.2
‑
8h；优选地，步骤(b)所述干燥包括真空干燥；优选地，步骤(b)所述干燥的温度为50
‑
100℃；优选地，步骤(b)所述干燥的时间为6
‑
24h。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾翔宇，郝熔江，李松庚，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：