【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于污染物处理，具体涉及一种棉纤维基氮掺杂碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、当前印染废水问题十分严峻，据不完全统计我国纺织印染废水每天的排放量约为3×106～4×106m3，约占整个工业废水排放量的35％。当前印染行业使用量较大的活性染料的利用率只有60～70％，印染厂每加工100米织物，会产生3～5m3废水，这已成为印染行业中污染和危害最大的污染物之一。染料废水中有机污染物的降解是废水治理的一个重要方向。基于过硫酸盐的新型高级氧化技术具有稳定性强、溶解性好、适用ph范围广和产生的硫酸根自由基的寿命长等优点，更有利于高浓度有机污染物的降解。然而在常温条件下，过硫酸盐比较稳定，需要通过加热、螯合或非螯合的过渡金属离子、光、碱及活性炭等碳材料进行活化后，才可产生强氧化性的硫酸根自由基和羟基自由基，将目标污染物高效快速的去除。就目前已知过硫酸盐的活化方法包括以下几种：
2、1.热活化过硫酸盐，此方法是热活化过硫酸盐指通过热辐射的方式提升反应体系的能量，加速过硫酸盐生成·oh-和so4·-自由基，进而达到降解染料废水的作用，但是此法热活化热能成本过高，热利用效率低，所以用新型能源或者提高热利用效率是热活化过硫酸盐所面对的问题。
3、2.光活化过硫酸盐指过硫酸盐在强可见光紫外线的作用下活化，产生强氧化性质的so4·-，进而降解染料中的废水，以达到目的，但是由于紫外线难以控制，以及其透过性能较差，所以很难在工业废水处理中得到理想的结果。
4、3.超声活化过硫酸盐氧化处理水污染，过硫酸盐投
5、4.过渡金属活化过硫酸盐，是通过螯合或非螯合的过渡金属离子，如铁离子、钴离子等催化剂活化过硫酸盐来有效的降解有机污染物，因其适合浓度的fe3+可以加速电子转移生成so4·-和·oh-，但是此技术虽然可以达到将染料废水降解的功效，不过金属活化会引入大量的金属盐，会造成二次污染。
6、5.碳基催化剂活化过硫酸盐，碳材料作为一种新型的非均相过硫酸盐催化剂，具有无金属、利用率高、耐酸碱、超高的孔容和较大的比表面积等特点，使其具有很强的应用潜力。在碳材料上掺杂杂原子(n、s、b或p)可以显著提高过硫酸盐去除有机污染物的催化活性，因为这些杂原子可以引入更多的活性中心，促进电子转移，增加缺陷。更重要的是，这些含杂原子的碳材料各组分之间能发生显著的协同效应来增强催化活性。
7、所以就目前技术，用碳基催化剂活化过硫酸盐是较为不错的方式，尤其是杂原子掺杂碳材料，其反应速度快、适用范围广、去除能力强，可以产生不同的高反应活性物质，包括so4·-、·oh-、超氧自由基(o2·-)和单线态氧(1o2)等，这可为复杂污染染料废水体中实现污染物的有效降解而提供更多的选择。氮是被广泛使用的杂原子，几乎所有催化活性较差的碳材料，氮原子掺杂都能显著提高污染物的去除效率，缩短反应时间。然而此类催化剂多为粉体，存在回收困难、易二次污染的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种棉纤维基氮掺杂碳材料及其制备方法和应用，解决了粉末状氮碳材料难以回收利用、易二次污染的问题。
2、本专利技术是通过以下技术方案来实现：
3、一种棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：
4、(1)将回收的废弃棉纤维撕成块状，清洗，烘干，得到原棉纤维备用；
5、(2)将原棉纤维浸泡在碱性溶液中，水浴处理，然后用去离子水洗涤至中性后干燥，得到棉纤维素i；
6、将棉纤维素i在碱性溶液中浸泡，用去离子水洗至中性，然后干燥得到棉纤维素ii；
7、将棉纤维素i浸泡在含氮有机溶剂中，用甲醇反复洗涤样品，直至彻底去除溶剂，烘干得到棉纤维素iii；
8、将棉纤维素iii置于甘油或液氨中加热，将得到的样品用去离子水和丙酮洗涤直至彻底去除溶剂，干燥得到棉纤维素iv；
9、(3)将氮源分散到水溶液中，再加入棉纤维素i、棉纤维素ii、棉纤维素iii、棉纤维素iv中的一种或多种，在室温下超声浸泡，冷冻干燥后得到棉纤维素-氮源前驱体；
10、(4)将棉纤维素-氮源前驱体在惰性气氛下进行热解，热解的温度为300～1000℃，得到棉纤维基氮掺杂碳材料；
11、其中，所述棉纤维基氮掺杂碳材料中的氮碳原子比为(0.10～0.41)：1。
12、进一步，步骤(2)中，制备棉纤维素i时，原棉纤维按1:50的浴液比浸泡在碱性溶液中；
13、制备棉纤维素ii时，按照浴液比1:100将棉纤维素i在碱性溶液中浸泡；
14、制备棉纤维素iii时，将棉纤维素i浸泡在含氮有机溶剂中，浴液比为1:100溶胀；
15、制备棉纤维素iv时，按照1:100的浴液比将棉纤维素iii置于甘油或液氨中加热。
16、进一步，制备棉纤维素ii时，碱性溶液为质量浓度为10～20％的naoh溶液，浸泡时间为1～2h，干燥方式为热烘或冷冻干燥。
17、进一步，制备棉纤维素iii时，溶胀时间为15min～24h，含氮有机溶剂为乙二胺、液氨或氨水。
18、进一步，制备棉纤维素iv时，加热温度为140～260℃，保持时间为0.5～64h，干燥方式为热烘或冷冻干燥。
19、进一步，步骤(3)中，氮源为尿素、双氰胺、三聚氰胺和聚苯胺中的一种或多种。
20、进一步，步骤(3)中，氮源分散液浓度为3％～20％。
21、进一步，步骤(4)中，热解时的惰性气体为氮气、氩气或氦气，热解的时间为1-3小时。
22、本专利技术所述制备方法制备得到的棉纤维基氮掺杂碳材料。
23、本专利技术还公开了所述的棉纤维基氮掺杂碳材料作为催化剂用于活化过硫酸盐的应用，棉纤维基氮掺杂碳材料活化过硫酸盐时，产生硫酸根自由基。
24、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
25、本专利技术公开了一种棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，以棉纤维为碳源，通过热解氮源及棉纤维素的自组装复合物，所制备的棉纤维基氮掺杂碳材料中含有较高含量的氮碳原子比例(0.10～0.41)，高的氮含量能够提高催化剂中的活性氮组分，有利于催化降解性能的提升；不同晶型的棉纤维素制备得到的氮掺杂碳材料的石墨碳比例不同，高的石墨碳含量利于提高材料的电子转移能力，使催化剂具有良好的导电性；另一方面，可以使得氮源中的氮原子通过原子热运动进入棉纤维的碳层中，形成具有过硫酸盐催化活性的活性组分。
26、本专利技术的制备过程环保安全，制备工艺简单，制备成本低；未采用牺牲元素和贵金属，属于原子经济型制备方法。并且，制备的棉纤维基氮掺杂碳材料作为催化剂，以棉纤维作为载体，热解之后还能保持一部分棉的纤维外观状态，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，制备棉纤维素I时，原棉纤维按1:50的浴液比浸泡在碱性溶液中；
3.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，制备棉纤维素II时，碱性溶液为质量浓度为10～20％的NaOH溶液，浸泡时间为1～2h，干燥方式为热烘或冷冻干燥。
4.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，制备棉纤维素III时，溶胀时间为15min～24h，含氮有机溶剂为乙二胺、液氨或氨水。
5.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，制备棉纤维素IV时，加热温度为140～260℃，保持时间为0.5～64h，干燥方式为热烘或冷冻干燥。
6.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，氮源为尿素、双氰胺、三聚氰胺和聚苯胺中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征
8.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，热解时的惰性气体为氮气、氩气或氦气，热解的时间为1-3小时。
9.权利要求1～8任意一项所述制备方法制备得到的棉纤维基氮掺杂碳材料。
10.权利要求9所述的棉纤维基氮掺杂碳材料作为催化剂用于活化过硫酸盐的应用，其特征在于，棉纤维基氮掺杂碳材料活化过硫酸盐时，产生硫酸根自由基。
...【技术特征摘要】
1.一种棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，制备棉纤维素i时，原棉纤维按1:50的浴液比浸泡在碱性溶液中；
3.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，制备棉纤维素ii时，碱性溶液为质量浓度为10～20％的naoh溶液，浸泡时间为1～2h，干燥方式为热烘或冷冻干燥。
4.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，制备棉纤维素iii时，溶胀时间为15min～24h，含氮有机溶剂为乙二胺、液氨或氨水。
5.根据权利要求1所述的棉纤维基氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，制备棉纤维素iv时，加热温度为140～260℃，保...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽梦，张鹏飞，付骋宇，盛翠红，吴西宁，祁忠英，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：
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