一种制备生物炭复合催化材料的方法及应用技术

本发明专利技术为一种制备生物炭复合催化材料的方法及应用，该方法以玉米秸秆和光卤石为原料，先将光卤石溶解于水，然后投加玉米秸秆，经浸渍、蒸发、干燥、焙烧、冷却，制备得到可催化活化过硫酸盐氧化去除土/水中有机污染物中的生物炭复合催化材料。本发明专利技术以固体废弃物玉米秸秆及廉价的光卤石为原料，经简便的工艺制备得到了一种新型生物炭复合催化材料。该材料在土/水有机污染净化技术领域与传统的净化材料相比，具有显著的优势，在同等条件下，能在尽可能少的催化剂用量的前提下低成本达到对各类有机物90%以上的去除效率，效果显著。效果显著。

【技术实现步骤摘要】
一种制备生物炭复合催化材料的方法及应用


[0001]本专利技术属于土/水有机污染净化
，具体涉及一种以玉米秸秆和光卤石为原料制备生物炭复合催化材料的方法及应用。

技术介绍

[0002]伴随工业活动的增加，因管道、储罐泄漏或其他意外事故，导致有机化学品进入土/水环境引发的生态环境安全及人体健康问题日益受到关注。
[0003]在土/水有机污染净化技术中，高级氧化（Advanced Oxidation Processes, AOPs）被认为是降解有机污染物的有效方法。基于过硫酸盐的AOPs利用活化过硫酸盐产生的硫酸根自由基（SO4‑
·
）、羟基自由基（
·
OH）或非自由基活性氧物种（如单线态氧，1O2），可高效氧化去除土/水中的有机污染物。
[0004]活化过硫酸盐的方法有热活化、离子活化、碳基材料活化等。热活化法存在能耗高的问题；离子活化法存在活化离子容易流失甚至引发二次污染的问题。而碳基材料因其比表面积大、孔径结构及表面官能团可调、导电性及对有机污染物吸附性能优良等优势，在催化活性过硫酸盐，净化土/水介质中有机污染物
，具有很好的应用前景。
[0005]为了进一步提高碳基材料催化活性过硫酸盐的性能，人们开发了离子掺杂改性的碳基复合催化材料，这类材料不仅可以提高催化活化过硫酸盐的性能，还能有效抑制离子流失，是一类极具发展潜力的活化过硫酸盐功能材料。
[0006]迄今为止，利用光卤石对碳基材料进行掺杂改性，催化活化过硫酸盐氧化降解土/水中有机污染物的研究未见报道。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种以玉米秸秆和光卤石为原料制备生物炭复合催化材料的方法及在活化过硫酸盐去除土/水中有机污染物中的应用。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种以玉米秸秆和光卤石为原料制备生物炭复合催化材料的方法，该方法以玉米秸秆和光卤石为原料，先将光卤石溶解于水，然后投加一定量的玉米秸秆，经浸渍、蒸发、干燥、焙烧、冷却，制备得到可催化活化过硫酸盐的生物炭复合催化材料，过硫酸盐被催化活化后的活性氧物种能氧化去除土/水中有机污染物。活性氧物种包括硫酸根自由基（SO4‑
·
）、羟基自由基（
·
OH）、单线态氧。
[0009]其中优选原料各组分的质量百分比为：玉米秸秆80%~95%、光卤石5%~20%。
[0010]上述以玉米秸秆和光卤石为原料制备生物炭复合催化材料的方法，该方法的具体步骤是：1）光卤石溶解于水：将0.3~1.2 g的光卤石溶于200 mL水中；2）浸渍：将玉米秸秆粉碎并过80目
‑
200目筛，再将过筛后的玉米秸秆加入到配置好的溶液中，以200~400 r/min的速率搅拌混合4~10 h；
3）蒸发：将搅拌后的混合物于80~120 ℃下去除水分至恒重；4）焙烧：将去除水分后的物料焙烧，先于氮气气氛下升温至400~850 ℃，再保持该温度并切换为CO2气氛，在CO2气氛下继续焙烧40~80 min；5）冷却：停止焙烧，冷却6
‑
12 h，得到生物炭复合催化材料。
[0011]优选地，氮气升温速率为5
‑
15 ℃/min，氮气气氛的升温终了温度为400
‑
850 ℃。
[0012]利用上述的生物炭复合催化材料处理有机污染土壤，将催化剂生物炭复合催化材料与氧化剂过硫酸盐各自配制成溶液，注入到有机污染土壤中，通过机械搅拌，使得药剂和土壤混合均匀。反应30~60天后，取土壤样品，经净化处理后，采用气相或液相色谱仪分析土壤中残留的有机污染物含量。其中，土壤中有机污染物的浓度为20~1000 mg/kg，催化剂生物炭复合催化材料的用量为1~5 g/L，氧化剂过硫酸盐的用量为1~8 g/L，土壤的含水率为15%~40%，能够达到90%以上的去除效率，优选催化剂和氧化剂用量的质量比为1:1
‑
1:1.7。
[0013]利用上述的生物炭复合催化材料处理有机污染物废水，将催化剂生物炭复合催化材料和氧化剂过硫酸盐加入到有机废水中，混合均匀后反应10~120 min，取反应后的水样，采用气相或液相色谱仪分析水体中残留的有机物的含量。其中，废水中有机污染物的浓度为20~100 mg/L，催化剂复合生物炭材料的用量为0.3~1.5 g/L，氧化剂过硫酸盐的用量为0.2~2 g/L，能够达到99%以上的去除效率。所述有机污染土壤为受多环芳烃（如苯并(a)芘、菲等）污染的土壤或苯系物（如甲苯、二甲苯等）污染土壤等。所述有机污染物废水为酚类（如苯酚、氯酚等）废水或卤代烃类（二氯乙烯、三氯乙烯等）废水等。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术以固体废弃物玉米秸秆及廉价的光卤石为原料，经简便的工艺制备得到了一种新型生物炭复合催化材料。该材料在土/水有机污染净化
与传统的净化材料相比，具有显著的优势，在同等条件下，能在尽可能少的催化剂用量的前提下低成本达到对各类有机物90%以上的去除效率，效果显著，具体对比数据如表1、表2所示
污染土壤中苯并(a)芘的初始浓度为：120 mg/kg，甲苯的初始浓度为330 mg/kg；催化剂：2 g/L；氧化剂：2 g/L；反应时间40 d废水中苯酚的初始浓度分别为：50 mg/L；催化剂：0.5 g/L；氧化剂：0.6 g/L；反应时间60 min。
具体实施方式
[0015]为更好的理解本专利技术的内容，下面结合实施方式对本专利技术作进一步的说明，但所举之例并不限制本专利技术的保护范围。
[0016]本专利技术创造性地以光卤石（KCl
·
MgCl2·
6H2O）为原料，对碳基材料进行掺杂改性，在大幅度提高催化效率的前提下能够显著降低制备成本，带来巨大的经济效益，实验表明光卤石掺杂的生物炭复合催化材料催化过硫酸盐的性能大大强于单一钾盐或镁盐掺杂的碳基材料，同等条件下也明显优于同时添加纯的钾盐和镁盐混合物的催化效果。
[0017]实施例1（1）一种以玉米秸秆和光卤石为原料制备生物炭复合催化材料的方法。该生物炭复合催化材料的制备具体步骤如下：1）光卤石溶解于水：将0.6 g的光卤石溶于200 mL水中；2）浸渍：将玉米秸秆粉碎并过80目筛，再将5.4 g过筛后的玉米秸秆加入上述溶液中（玉米秸秆和光卤石的质量比为9:1），以300 r/min的速率搅拌混合6 h；3）蒸发：将搅拌后的混合物于100 ℃下去除水分至恒重；4）焙烧：干燥后的材料，先以10 ℃/min升温速率在氮气气氛下升温至800 ℃，再在800 ℃下切换CO2气氛，在CO2气氛下继续焙烧60 min；5）冷却：停止焙烧，冷却10 h，得到生物炭复合催化材料。
[0018]（2）净化土壤中有机污染物的实验：将上述生物炭复合催化材料用于苯并(a)芘污染土壤中苯并(a)芘的去除。实验过程具体步骤如下：本专利技术实施例所述苯并(a)芘污染土壤中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备生物炭复合催化材料的方法，该方法以玉米秸秆和光卤石为原料，先将光卤石溶解于水，然后投加玉米秸秆，经浸渍、蒸发、干燥、焙烧、冷却，制备得到能催化活化过硫酸盐的生物炭复合催化材料，过硫酸盐被催化活化后的活性氧物种能氧化去除土/水中有机污染物。2.根据权利要求1所述的制备生物炭复合催化材料的方法，其特征在于，所述生物炭复合催化材料的原料各组分的质量百分比为：玉米秸秆80%~95%、光卤石5%~20%。3.根据权利要求1所述的制备生物炭复合催化材料的方法，其特征在于，所述焙烧过程中的焙烧温度为400~850 ℃，且先在氮气气氛下升至该焙烧温度，再在该焙烧温度下切换二氧化碳气氛继续焙烧一段时间。4.一种制备生物炭复合催化材料的方法，该方法的具体步骤是：步骤1.光卤石溶解于水：将0.3~1.2 g的光卤石溶于200 mL水中，步骤2.浸渍：将玉米秸秆粉碎并过筛，再将过筛后的玉米秸秆加入到配置好的溶液中，以200~400 r/min的速率搅拌混合4~10 h；步骤3.蒸发：将搅拌后的混合物于80~120 ℃下去除水分至恒重；步骤4.焙烧：将去除水分后的物料焙烧，先于N2气氛下升温至400~850 ℃，再保持该温度并切换为CO2气氛，在CO2气氛下继续焙烧40~80 min；步骤5.冷却：停止焙烧，冷却6
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12 h，得到生物炭复合催化材料。5.根据权利要求4所述的制备生物炭复合催化材料的方法，其特征在于，所述氮气升温速率为5
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15℃/min，氮气气氛的升温终了温度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：马小东，高鹏，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：