一种氮掺杂有序介孔炭催化剂的制备方法及应用与流程

1.本发明涉及固定化催化剂、染料污染物去除、高级氧化、固废利用等技术领域，尤其涉及一种氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂及其在过硫酸盐氧化反应降解酚类污染物中的应用。


背景技术：

2.造纸污泥（paper mill sluge,pms）是造纸行业产量十分巨大的一种固体废弃物，传统的堆肥、焚烧、填埋等处置方法都需要巨大的资金投入，并且存在一定的环境风险等缺点。目前，造纸污泥的资源化技术是利用污泥中高含量的木质素、纤维素、碳酸钙和高岭土等多种有效成分，研制开发具有高附加值的功能性产品，如吸附剂、絮凝剂和催化剂等。资源化技术不但减少了对环境的污染，还能为企业带来一定的经济效益而成为当前的研究热点。
3.酚类是重要的化学物质，包括苯酚、多元酚、氯酚、硝基酚和其他苯酚的取代物，苯酚及其衍生物是污水中常见的难降解且毒性高的芳香族化合物。含酚废水的来源非常广泛，主要来自于煤化工、石油化工、农药、酚醛树脂和焦化等企业，化工和炼油等行业的废水中酚类浓度均大与1000 mg/l，此类废水中的酚类用常规的水处理方法很难去除。因此，能够有效去除废水中的酚类物质具有重要意义。
4.硬模板法合成介孔材料主要是通过使用预先制备好的介孔材料或纳米晶体结构作为模板，利用基质前驱物在硬模板的主体孔道中填充、组装和生长来实现的，再经过原位转化而获得反相复制结构。它是一种简便的、有效的也是应用最广泛的一种合成介孔碳材料的方法。有序介孔碳材料其具有较大比表面积、高孔隙率、高的机械强度、好的热稳定性及规整的孔道结构等特点，为催化剂载体的催化反应提供了优良的反应场所，同时也为其作为载体提供了可能；因此，介孔材料在催化领域的应用吸引了广泛的关注并具有非常好的应用前景。
5.传统的高级氧化技术是以羟基自由基作为氧化物种，近年来兴起一种备受关注的新型的高级氧化技术是以过硫酸盐活化产生的硫酸根自由基作为氧化物种，通过各种方式催化活化过硫酸盐，使之产生具有强氧化性的 so4‑•
来氧化分解有机污染物。由于过硫酸盐性质稳定，在不投加催化剂或者常温状态下很难与有机物发生反应。通常需要采用热活化、uv活化、碱活化、过渡金属离子活化、碳材料活化等手段活化过硫酸盐（ps）产生高活性的 so4‑•
，进而氧化有机污染物。由于碳材料其本身化学惰性，酸碱稳定，热稳定性高，且其比表面积高，能提供丰富的催化反应界面，在活化 ps 过程条件温和、无二次污染，能够有效避免 uv 和热活化能耗多、碱活化腐蚀设备、过渡金属离子活化易引入金属离子而产生二次污染等缺点而被广泛研究。


技术实现要素：

6.本发明利用所制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭与过硫酸盐相结合，构成新型高
级氧化技术特性，对对硝基苯酚（pnp）模拟有机废水达到了很好的去除效果，且该固相催化剂无金属离子溶出，工艺流程简单，成本低，对废弃物进行资源化利用，具有很好的实际运用前景。
7.本发明要解决的技术问题是要克服上述现有的缺陷和不足，提供一种在污泥热解的同时制备氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂方法，所制得的催化剂可应用于活化过硫酸盐降级酚类有机废水的环境污染治理领域，最终实现污泥的资源化和“以废治废”。
8.为此，本发明的主要目的有两个：第一个目的在于提供一种氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂的制备方法，第二个目的在于提供该催化剂活化过硫酸盐降解酚类有机废水的应用。
9.本发明的第一目的是通过如下技术方案实现的：一种氮掺杂有序介孔炭催化剂的制备方法，以造纸污泥为前驱体，sba-15为模板剂，并加入氮源，采用硬模板法制备介孔炭材料。
10.具体步骤如下：第一步，将取得的造纸污泥样品置于烘箱中，烘干，然后将干污泥破碎过筛，得到干污泥粉末，将干污泥粉末置于干燥器中储存备用。
11.第二步，将第一步中的干污泥粉末与模板剂、氮源试剂按比例混合溶于乙醇溶液，浸渍24 h后置于105℃烘箱中烘干。
12.第三步，将上述活化物料盛于舟形坩埚置于高温式电阻炉，在n2氛围下热解碳化材料。
13.第四步，用5%的氢氟酸浸泡热解后的炭材料24 h。
14.第五步，用乙醇溶液洗涤炭材料后，再用去离子水不断洗涤炭材料至ph接近中性；第六步，将样品在105 ℃下烘干,标记好后密封保存待用。
15.进一步地，在第一步中，干燥温度为105 ℃，干燥时间为24~48h，所述过筛的筛子目数为60～100目。
16.进一步地，在第二步中，所述的模板剂为sba-15，且干污泥与模板剂的质量比为5:1，所述的碳源试剂为三聚氰胺或二氰二胺中的一种，所述的氮源试剂与干污泥的质量比为1:1~2:1。
17.进一步地，在第三步中，恒温碳化的温度为500℃~700℃，恒温炭化的时间为2~4小时。
18.进一步地，所述的氮掺杂有序介孔炭催化剂的比表面积为400~550 m2/g，平均孔径为5~10 nm。
19.本发明的第二目的通过以下技术方案实现：一种去除废水中对硝基苯酚的方法，将所述的氮掺杂有序介孔炭催化剂与过硫酸盐加入到废水中，形成混合液；其中，在所述的混合液中，所述的氮掺杂有序介孔炭催化剂的浓度为0.2~1.0 g/l，所述的过硫酸盐浓度为0.7 mm~3.5 mm，即ps与pnp的摩尔比1:1~5:1。
20.本发明的有益效果为：（1）发明利用造纸污泥为原料，具体通过研磨、浸渍、高温碳化、酸洗、干燥等步骤处理制备得到有序介孔炭催化剂。制备工艺流程简单、易操作，主要是通过硬模板法很好的
复制模板剂的介孔结构、高比表面积等结构特征，从而达到调控孔径孔容的目的，然后通过浸渍法将氮元素掺杂到介孔碳中，进一步改善催化剂的结构特性和催化特性，从而丰富了介孔炭表面的官能团，提供了更多的催化反应位点。
21.（2）本发明的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂作为一种过硫酸盐催化剂，材料兼具良好的吸附和催化性能，在该催化剂活化过硫酸盐降解硝基苯酚的反应体系中，反应初期催化剂主要起吸附作用。随着反应进行，过硫酸盐被催化剂活化产生自由基降解污染物，同时也将吸附在催化剂表面的有机物氧化去除，从而使炭材料得到再生，恢复催化活性。该催化剂在反应条件温和的情况下，能够高效的活化过硫酸盐降解酚类有机废水，最终降解率可达90%以上。
22.（3）使用氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂活化过硫酸盐降解酚类有机废水，不仅为废水中难降解有机污染物提供了新技术，也为造纸污泥的资源化利用提供了新的途径，同时该方法可实现对催化剂的反复循环利用，对环境保护有重要的意义。
附图说明
23.图1为实施例4制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂的sem图。
24.图2为实施例4所用的sba-15模板剂的tem图和所制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂的tem图。
25.图3为实施例4制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂的氮气吸附-脱附等温线图和bjh孔径分布图（内插）。
26.图4为实施例1~4制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂各自对pnp的吸附去除率曲线。
27.图5为实施例4制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂活化过硫酸盐体系对pnp的去除率曲线。
28.图6为实施例4制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂活化过硫酸盐体系在不同ph条件下对pnp的去除率曲线。
29.图7为实施例4制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂活化过硫酸盐体系在不同过硫酸盐浓度下对pnp的去除率曲线。
30.图8为实施例4制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂活化过硫酸盐体系在不同催化剂投加量下对pnp的去除率曲线。
31.图9为实施例1-4制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂在最优条件下活化过硫酸盐对pnp的去除率曲线。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
33.实施例1一种氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂，氮源试剂为二氰二胺，干污泥与氮源试剂的比例为1:1，其制备方法为：(1)将污水处理厂剩余污泥放入烘箱中于105℃下烘干，研磨过60目筛，得到干污
泥粉末。
34.(2)将1.0 g干污泥粉末与20ml无水乙醇溶液混合在烧杯中，然后再加入0.2 g sba-15和1g二氰二胺，将混合溶液置于超声波清洗机超声分散2 h。
35.(3)将烧杯于25℃恒温震荡浸渍24 h，再移入烘箱干燥，然后将上述活化物料盛于舟形坩埚移入管式炉中，在氮气气氛(100 ml/min，升温速度 为5℃/min)下升温至700℃，煅烧4 h，然后氮气保护下降至室温，得到氮掺杂介孔炭。
36.(4)用5%的氢氟酸浸泡热解后的炭材料24 h。
37.(5)用乙醇溶液洗涤炭材料后，再用去离子水不断洗涤炭材料至ph接近中性；(6)将样品在105 ℃下烘干，标记好后密封保存待用，样品记为pms-ac/1。
38.实施例2一种氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂，氮源试剂为二氰二胺，干污泥与氮源试剂的比例为1:2，其制备方法为：(1)将污水处理厂剩余污泥放入烘箱中于105℃下烘干，研磨过60目筛，得到干污泥粉末。
39.(2)将1.0 g干污泥粉末与20 ml无水乙醇溶液混合在烧杯中，然后再加入0.2g sba-15和2 g二氰二胺，将混合溶液置于超声波清洗机超声分散2 h。
40.(3)将烧杯于25℃恒温震荡浸渍24 h，再移入烘箱干燥，然后将上述活化物料盛于舟形坩埚移入管式炉中，在氮气气氛(100 ml/min，升温速度 为5℃/min)下升温至700℃，煅烧4 h，然后氮气保护下降至室温，得到氮掺杂介孔炭。
41.(4)用5%的氢氟酸浸泡热解后的炭材料24 h。
42.(5)用乙醇溶液洗涤炭材料后，再用去离子水不断洗涤炭材料至ph接近中性；(6)将样品在105 ℃下烘干，标记好后密封保存待用，样品记为pms-ac/2。
43.实施例3一种氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂，氮源试剂为三聚氰胺，干污泥与氮源试剂的比例为1:1，其制备方法为：(1)将污水处理厂剩余污泥放入烘箱中于105℃下烘干，研磨过60目筛，得到干污泥粉末。
44.(2)将1.0 g干污泥粉末与20 ml无水乙醇溶液混合在烧杯中，然后再加入0.2 g sba-15和1.0 g三聚氰胺，将混合溶液置于超声波清洗机超声分散2 h。
45.(3)将烧杯于25℃恒温震荡浸渍 24 h，再移入烘箱干燥，然后将上述活化物料盛于舟形坩埚移入管式炉中，在氮气气氛(100ml/min，升温速度 为5℃/min)下升温至700℃，煅烧4 h，然后氮气保护下降至室温，得到氮掺杂介孔炭。
46.(4)用5%的氢氟酸浸泡热解后的炭材料24 h。
47.(5)用乙醇溶液洗涤炭材料后，再用去离子水不断洗涤炭材料至ph接近中性；(6)将样品在105 ℃下烘干,标记好后密封保存待用，样品记为pms-ac/3。
48.实施例4一种氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂，氮源试剂为三聚氰胺，干污泥与氮源试剂的比例为1:2，其制备方法为：(1)将污水处理厂剩余污泥放入烘箱中于105℃下烘干，研磨过60目筛，得到干污
泥粉末。
49.(2)将1.0 g干污泥粉末与20 ml无水乙醇溶液混合在烧杯中，然后再加入0.2 g sba-15和2.0 g三聚氰胺，将混合溶液置于超声波清洗机超声分散2 h。
50.(3)将烧杯于25℃恒温震荡浸渍 24 h，再移入烘箱干燥，然后将上述活化物料盛于舟形坩埚移入管式炉中，在氮气气氛(100ml/min，升温速度 为5℃/min)下升温至700℃，煅烧4 h，然后氮气保护下降至室温，得到氮掺杂介孔炭。
51.(4)用5%的氢氟酸浸泡热解后的炭材料24 h。
52.(5)用乙醇溶液洗涤炭材料后，再用去离子水不断洗涤炭材料至ph接近中性；(6)将样品在105 ℃下烘干，标记好后密封保存待用，样品记为pms-ac/4。
53.应用例1产品的表征实施例4制备的催化剂的sem和tem图分别如图1和图2所示，通过图2可以看出，催化剂和模板表面均为有序介孔形貌，合成的材料很好的复制了sba-15的介孔结构。
54.实施例4制备的催化剂的氮气吸附-脱附曲线如图3所示，可以看出该介孔炭材料的等温线为明显的ⅳ型等温线及具有回滞环的存在，这是典型的介孔材料的性质。从该催化剂的孔径分布图来看，其孔道直径分布较均匀。
55.应用例2吸附实验分别称取60 mg实施例1-4的催化剂于150 ml锥形瓶中，并加入100 ml浓度为100 mg/l（0.7 mm）的pnp溶液，将锥形瓶置于往复式恒温摇床中避光振荡2h（25℃，160rmp），并分别于20 min、40 min、30 min、60 min、80 min、100 min时分别取出对应振荡时长的溶液，将溶液经0.25μm一次性针头过滤器后放于比色管中测定其吸光度，根据标准曲线计算残余pnp浓度，每个条件测定3次。
56.通过图4可以看出，实施例1~4制备的催化剂均能去除废水中的pnp，且从图4的曲线可以看出同等条件下，实施例4制备的pms-ac/4催化剂吸附效果较好。
57.应用例3活性炭催化过硫酸盐氧化降解实验分别称取不同质量的实施例1~4制备的催化剂于150 ml锥形瓶中，设置不同的ph，然后加入不同剂量的过硫酸盐以及浓度为100 mg/l的pnp，置于往复式恒温摇床中避光振荡3h（25℃，160 rmp），过滤后用紫外分光光度计测定残留pnp浓度。
58.由图5可以明显看出当催化剂和过硫酸盐联合使用时，效果优于催化剂和过硫酸盐各自单独使用时的效果，这表明催化剂活化过硫酸盐催化降解对硝基苯酚的效果较好。由图6可以看出当ph在3.0~9.4的范围内，该反应系统对于pnp的氧化降解均呈现良好的降解效果。结合图7和图8、图9的去除效率图以及经济成本方面的考虑，可以得出该反应系统的最优反应条件，即催化剂投加量为0.8 g/l，ps投加量为1.4 mm，ph为中性。
59.通过对催化剂投加量、ps投加量、ph条件的控制，可以得出实施例1~4催化剂在活化过硫酸盐催化降解pnp的最优条件。图9为实施例1~4制备的氮掺杂造纸污泥有序介孔炭催化剂在最优条件下活化过硫酸盐对pnp的去除率曲线。
60.通过上述应用例1~3可以看出，催化剂和过硫酸盐联合使用时，能明催化ps降解
pnp反应，实施例1~4中制备得到的催化剂均能很好的催化ps降解pnp反应，pnp的除去率能达到90%以上。
61.需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。