一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂及其制备方法和应用

本发明属于水处理催化材料，具体涉及一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电镀废水中通常含有大量重金属-有机络合物，其中以ni-edta（乙二胺四乙酸镍）最具代表性。ni-edta具有极高的溶解度和化学稳定性，难以通过传统的化学沉淀、吸附或生物法有效去除。ni-edta在水体中长期积累，最终通过食物链进入人体，造成多器官损伤。

2、现有处理方法中，高级氧化技术是主要的破络合手段，其中铁基非均相芬顿技术因其能耗低、操作简单而受到广泛关注。然而，传统铁基催化剂存在以下固有缺陷：1）单一铁中心同时承担活性氧物种生成和fe3+还原的双重负担，催化效率低；2）fe3+/fe2+循环速率慢，严重制约反应动力学；3）对反应ph要求苛刻，实际废水处理中适用性差。

3、现有铁基双金属催化剂的研究主要针对游离态有机染料或抗生素，未涉及对高稳定性金属络合物ni-edta的破络合性能。ni-edta的降解需要同时破坏edta配体与ni2+之间的配位键，其反应路径与单纯有机污染物氧化存在本质差异，对催化剂的活性物种选择性及氧化能力提出了更高要求。

4、因此，开发一种针对ni-edta高效破络合且具有宽ph适应性的铁基双金属催化剂，对于电镀废水深度处理具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂及其制备方法和应用，以解决背景技术中的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将六水合氯化铁（fecl3·6h2o）和三氧化钼（moo3）加入乙醇水溶液中搅拌溶解，然后加入生物炭超声分散10-30min，再加入双氰胺继续搅拌混合4-8h，得到悬浮液；

5、s2、将悬浮液在烘箱中干燥后，在氮气气氛下于550-750℃煅烧2-3h，冷却后，得到铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂。

6、进一步地，所述fecl3·6h2o、moo3、乙醇水溶液、生物炭和双氰胺的用量比为2mmol：1-4mmol：20ml：1g：2g；所述乙醇水溶液中乙醇和去离子水的体积比为1：1。

7、进一步地，所述生物炭通过以下方法制得：

8、将木屑原料用去离子水清洗去除杂物，然后置于烘箱中在80℃下干燥24h，烘干后研磨粉碎并过100-300目筛，再在氮气保护下于600-700℃热解2h，自然冷却后，得到生物炭。本发明以木屑制备的生物炭为载体，其丰富的孔隙结构有利于金属前驱体的分散和活性位点的暴露；同时，生物炭表面含氧官能团和石墨化结构可作为电子穿梭体，促进反应过程中的电子转移，增强催化剂活化pms的效率；此外，氮元素的掺入进一步调控了碳材料的电子性质，并提供了稳定的金属配位环境，抑制金属离子的溶出。

9、一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂，由以上制备方法制得。所述催化剂包括生物炭作为载体、负载于所述生物炭上的铁元素和钼元素以及掺入生物碳中的氮元素，且催化剂中存在fe-nx和mo-nx配位结构。

10、一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂在ni-edta破络合中的应用。ni-edta是一种高稳定性重金属络合物，其中的edta配体与ni2+形成紧密的配位结构，需要同时打破多重化学键才能实现有效去除。相对于单一的有机污染物降解，ni-edta的降解机制更为复杂：一方面需要利用生成的高氧化性活性氧物种攻击edta分子骨架，另一方面需要破坏金属与配体之间的配位键从而释放ni2+，再通过后续沉淀手段去除金属离子。与游离态有机污染物的降解不同，本发明专门针对ni-edta的“破络-释放-沉淀”全过程进行催化剂活性设计，实现了对高稳定性重金属络合物的深度处理。

11、进一步地，所述应用具体包括以下步骤：

12、向含ni-edta的废水中加入铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂和过一硫酸盐（pms），在ph为3-11下搅拌反应5h，随后加入氢氧化钠反应沉淀去除游离的ni2+，并通过0.22μm微孔滤膜过滤后，完成对含ni-edta废水的处理。

13、进一步地，所述铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂的投加量为0.2-0.5g/l；所述pms的投加量为6-8mm。

14、有益效果：

15、本发明采用一步浸渍热解法，将铁源、钼源、生物炭和氮源在液相中混合均匀后直接高温碳化，无需多步修饰或额外添加模板剂，可在生物炭骨架上同步完成氮元素的掺杂以及铁、钼双金属位点的锚定，形成具有fe-nx和mo-nx配位结构的活性中心，工艺流程短、操作简便，适合工业化放大生产。

16、本发明催化剂中铁是主要的pms活化中心，钼作为电子助催化剂，能够调节铁的电子结构，加速fe3+/fe2+的氧化还原循环，显著缓解传统铁基催化剂中fe3+再生困难的瓶颈；活化pms可同时产生硫酸根自由基、羟基自由基和单线态氧等多种活性物种；其中，单线态氧对溶液ph值变化不敏感，能够与自由基路径形成互补，使催化剂在较宽的ph范围内均保持稳定的破络合能力，克服了传统芬顿技术严格依赖酸性条件的缺陷，更适合处理实际电镀废水中ph波动较大的情况。

17、本发明制得的催化剂由于氮掺杂生物炭对铁、钼原子的强锚定作用，以及mo对fe3+/fe2+循环的促进，反应过程中金属离子的溶出得到有效抑制，降低了二次污染风险和处理成本，具有良好的经济性和环境友好性。

1.一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述六水合氯化铁、三氧化钼、乙醇水溶液、生物炭和双氰胺的用量比为2mmol：1-4mmol：20ml：1g：2g；所述乙醇水溶液中乙醇和去离子水的体积比为1：1。

3.根据权利要求1所述的一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述生物炭通过以下方法制得：

4.一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂，其特征在于，由权利要求1-3任意一项所述的制备方法制得。

5.根据权利要求4所述的一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂在ni-edta破络合中的应用。

6.根据权利要求5所述的一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂的应用，其特征在于，具体包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂的应用，其特征在于，所述铁钼双金属氮掺杂生物炭催化剂的投加量为0.2-0.5g/l；所述过一硫酸盐的投加量为6-8mm。