一种铁氮共掺杂生物炭及其制备方法与在处理废水中的应用技术

本发明专利技术属于水污染控制技术领域，公开了一种铁氮共掺杂生物炭及其制备方法与在处理废水中的应用。本发明专利技术通过将铁源和氮源溶解在水中，得溶液A；将微藻粉末加入所述溶液A中，调节pH为碱性，得混合液B；将混合液B水热反应，离心分离清洗、干燥，得铁氮共掺杂生物炭前驱体；所述铁氮共掺杂生物炭前驱体热解处理得铁氮共掺杂生物炭。本发明专利技术铁氮共掺杂生物炭可持续使用，经过多次利用后活化效果依然很好，是一种环境友好型催化剂，催化高级氧化时间短，操作方便，在3至9的宽pH范围内表现出高催化活性和良好的对无机阴离子的耐受性，并且对污染物具有较高的降解效果，降低了污染物降解成本，在降解污染物方面具有很大的应用前景。降解污染物方面具有很大的应用前景。降解污染物方面具有很大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种铁氮共掺杂生物炭及其制备方法与在处理废水中的应用


[0001]本专利技术属于水污染控制
，具体涉及一种铁氮共掺杂生物炭及其制备方法与在处理废水中的应用。

技术介绍

[0002]均相高级氧化工艺主要是在水相中利用二价铁催化氧化剂产生氧化自由基，对污染物进行氧化降解。该工艺可以有效去除废水中经生化处理后残余的难降解污染物。但反应过程中药剂使用量大，废水处理成本高，同时会产生很多铁泥，造成环境的二次污染。
[0003]近年废水的非均相高级氧化处理技术得到迅速发展，该技术利用固体催化剂促进氧化剂产生氧化自由基，对废水中的难降解有机污染物进行催化氧化降解。非均相高级氧化技术能够有效固化铁，避免了铁泥的产生，且催化剂易于从反应体系中分离回收重复利用，节约了高级氧化处理废水的成本。开发高效稳定可循环使用的非均相催化剂，是过硫酸盐高级氧化工艺处理抗生素废水广泛应用的迫切需求。
[0004]为了满足可持续发展和低成本的要求，由废弃生物质制备生物炭替代昂贵的碳基材料正成为研究热点。微藻分布广泛，价格低廉，用来制备生物炭可有效实现微藻资源的高值化利用。但单一生物炭催化活性有限，有研究通过掺杂杂原子和过渡金属增强催化剂的催化能力，氮与过渡金属元素的偶联是提高生物炭性能的有效策略。因此，本专利技术采用微藻制备铁氮共掺杂生物炭作为非均相催化剂对废水进行深度处理。
[0005]发表于期刊Journal of Hazardous Materials上的文章《High
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efficiency degradation of organic pollutants with Fe,N co
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doped biochar catalysts via persulfate activation》采用秸秆生物质、二价铁盐和氮源为原料制备了铁氮共掺杂生物炭，并用于活化PS降解污染物，在60min内去除了98％的酸性橙(AO7)，但该催化剂针对废水中磺胺甲恶唑(SMX)这一类难降解污染物的处理效果还不清楚，且其制备原料为二价铁盐，成本相较于三价铁盐较高，为防止其制备过程氧化，还需添加还原剂，进一步增加了制备成本。因此，有必要针对难降解污染物制备一种高效，成本更低的铁氮共掺杂生物炭，用于废水处理。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术存在的不足，本专利技术的目的是针对均相高级氧化工艺反应过程中药剂使用量大，废水处理成本高，同时会产生很多铁泥，造成环境的二次污染等问题；提供一种铁氮共掺杂生物炭及其制备方法与在处理废水中的应用。本专利技术成功合成铁氮共掺杂生物炭作为高级氧化过程中异相催化剂，常温条件下催化活化氧化剂降解废水中的污染物。
[0007]本专利技术所述铁氮共掺杂生物炭催化剂是由以微藻、氮源尿素等和铁源九水合硝酸铁等为原料经高温热解制备而成。
[0008]本专利技术的目的通过如下技术方案实现。
[0009]一种铁氮共掺杂生物炭的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)将铁源和氮源溶解在水中，得溶液A；
[0011](2)将微藻粉末加入所述溶液A中，调节pH为碱性，得混合液B；
[0012](3)将混合液B水热反应，离心分离清洗、干燥，得铁氮共掺杂生物炭前驱体；
[0013](4)所述铁氮共掺杂生物炭前驱体热解处理得铁氮共掺杂生物炭。
[0014]优选的，步骤(1)中，所述铁源为三价铁盐，所述氮源为三聚氰胺、双氰胺、单氰胺和尿素中的一种或多种。进一步优选的，所述三价铁盐为九水合硝酸铁。
[0015]优选的，步骤(1)中，所述铁源、氮源和水的重量比为2.02：3：50～6.06:3:80。
[0016]优选的，步骤(1)中，所述水为去离子水。
[0017]优选的，步骤(2)中，所述微藻粉末由破碎过筛网得到，所述筛网的规格为小于60目；所述微藻粉末和氮源的重量比为1：1～1:1.5；微藻粉末加入所述溶液A中后搅拌0.5
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2小时；所述调节pH采用4～6mol/L的NaOH溶液，所述碱性的pH为11
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13。
[0018]优选的，步骤(3)中，所述水热反应的温度为140～180℃，时间为8～14h。
[0019]优选的，步骤(3)中，所述离心分离清洗是在8000～10000rpm条件下离心5～15min多次直至上清液为中性；所述干燥是在60～100℃真空干燥8～24h。
[0020]优选的，步骤(4)中，所述热解处理在保护气氛中进行；所述热解处理的温度为800～1000℃，时间为2～4h；所述热解处理的升温速率为5～10℃/min。进一步优选的，所述保护气氛为氮气。
[0021]优选的，步骤(4)中，所述热解处理在管式炉中进行。
[0022]一种由上述的制备方法所制得的铁氮共掺杂生物炭。
[0023]上述的铁氮共掺杂生物炭在氧化处理废水中的应用，向含有有机污染物的废水中加入铁氮共掺杂生物炭和氧化剂进行降解反应。
[0024]优选的，所述氧化剂为过氧化氢、过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸钾中的一种或多种；所述铁氮共掺杂生物炭的投加量与废水中的有机污染物的质量比为5:1
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10:1；所述氧化剂的投加量和废水中的有机污染物的摩尔比为10:1
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100:1；所述降解反应的时间为30
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120min；所述降解反应在100
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180rpm的摇床中进行；所述降解反应在常温条件下进行。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0026](1)本专利技术的Fe
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NBC(铁氮共掺杂生物炭)在废水处理中表现出优异活化性能，更多活化PDS的活性物种，在多个循环中表现出高稳定性和可重复使用的性能，在3至9的宽pH范围内表现出高催化活性和良好的对无机阴离子的耐受性。氮、铁引入碳晶格会导致石墨碳中电荷密度的重新分布，增强过硫酸盐与Fe
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NBC表面相互作用形成表面复合物，促进电荷转移，并对环境背景因素具有较好的抵抗性。因此具有很好的应用前景。
[0027](2)本专利技术获得的铁氮共掺杂生物炭高级氧化催化剂用于处理含有有机污染物的废水，具备高效性、稳定性、可重复利用性以及广泛适用性和经济性的特点，可实现生物质资源的转化利用，为废水处理提供了一种新方法。
附图说明
[0028]图1为铁氮共掺杂生物炭Fe
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NBC的SEM图像；
[0029]图2为Fe
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NBC的TEM图；
[0030]图3为Fe
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NBC废水处理反应前后的XRD图；
[0031]图4为在Fe
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NBC活化PDS时得到的EPR图。
具体实施方式
[0032]为了更好的理解本专利技术所述内容，下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但是本专利技术的实施方式不局限于此，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁氮共掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将铁源和氮源溶解在水中，得溶液A；(2)将微藻粉末加入所述溶液A中，调节pH为碱性，得混合液B；(3)将混合液B水热反应，离心分离清洗、干燥，得铁氮共掺杂生物炭前驱体；(4)所述铁氮共掺杂生物炭前驱体热解处理得铁氮共掺杂生物炭。2.根据权利要求1所述的铁氮共掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铁源为三价铁盐，所述氮源为三聚氰胺、双氰胺、单氰胺和尿素中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的铁氮共掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铁源、氮源和水的重量比为2.02：3：50～6.06：3：80。4.根据权利要求1所述的铁氮共掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述微藻粉末由破碎过筛网得到，所述筛网的规格为小于60目；所述微藻粉末和氮源的重量比为1：1～1：1.5；微藻粉末加入所述溶液A中后搅拌0.5
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2小时；所述调节pH采用4～6mol/L的NaOH溶液，所述碱性的pH为11～13。5.根据权利要求1所述的铁氮共掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述水热反应的温度为140～180℃，时间为8～14h。6.根据权利要求1所述的铁氮共掺杂生物炭的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：万金泉，冉虎，张华林，王艳，闫志成，
申请(专利权)人：东莞建晖纸业有限公司，
类型：发明
国别省市：