一种氮硫共掺杂生物碳应用于水中有机污染物的降解方法技术

本发明专利技术公开了一种氮硫共掺杂生物碳，它是先将油茶壳在氮气氛围下600～650℃煅烧得到碳基质，再以尿素作为氮源、硫脲作为硫源，在氮气氛围下先升温至500～550℃维持1～1.5h、再经800～850℃高温淬火1.5～2h制得的氮硫共掺杂生物碳。本发明专利技术以价廉易得的农业活动生产废料油茶壳、尿素、硫脲为原料，形成氮硫掺杂生物碳催化剂，非金属原子掺杂可以调节生物碳轨道杂化的电子特性，增加活性位点，加速电子转移，可广泛用于有机污染物的降解。本发明专利技术还公开了一种所述的氮硫共掺杂生物碳应用于水中有机污染物的降解方法，包括：将氮硫共掺杂生物碳加入废水中，先搅拌至吸附平衡，再加入过一硫酸盐，室温搅拌降解有机污染物。室温搅拌降解有机污染物。室温搅拌降解有机污染物。

【技术实现步骤摘要】
一种氮硫共掺杂生物碳应用于水中有机污染物的降解方法


[0001]本专利技术属于材料技术和废弃生物质资源化利用领域，具体涉及一种氮硫共掺杂生物碳，以及该氮硫共掺杂生物碳应用于水中有机污染物的降解方法。

技术介绍

[0002]油茶是我国南方广泛种植的木本油料作物，油茶果壳由纤维素、半纤维素、木质素等物质组成，是油茶生产过程中的主要副产物，占油茶果实总重量的54％，通常作为生物废弃物被丢弃。
[0003]工业生产和人们的日常生活会将各类有机污染物带入环境，引起严重的污染，并威胁生态系统和人类的健康。许多有机污染物的分子非常稳定，不容易被光、化学、生物和其他试剂降解，处理此类不易被降解的有机污染物，通常用的方法包括吸附法、加热法、碱水浸泡法等，而这些方法对有机污染物的降解效果不太理想，只能略微降低残留，达不到真正降解为“绿色产物”的作用。
[0004]高级氧化技术(AOPs)是近年来研究最多的废水处理方法，如光催化氧化、电化学氧化和臭氧氧化已被用于去除有机污染物。然而，这些方法也有一些缺点。如光催化氧化对浊度敏感，难以放大；臭氧氧化使用的臭氧是一种强氧化剂，在水中溶解度低，因此限制了臭氧化过程；在电化学氧化过程中，由于污染物降解过程中在阳极表面形成有机膜，活性阳极很容易被钝化。研究发现，高级氧化技术产生的活性氧中，SO4·
‑
拥有较高的氧化还原电位(E
°
＝2.5～3.1V)、在较宽pH范围(2～8)内有较高的反应活性，较长的生命周期和较高的氧化选择性，能高效快速降解有机污染物。SO4·
‑
主要由过一硫酸盐(PMS)和过二硫酸盐(PS)产生。与PS相比，PMS具有不对称结构，更容易被活化，常见的活化PMS的方法包括加热、紫外线、超声波、过渡金属及其氧化物等。加热、紫外线、超声波活化PMS时需要较高的能量，限制大规模处理有机废水的使用；过渡金属及其氧化物与PMS在均相催化体系中，适用范围有限，溶出金属毒性大，不利于实际处理有机废水。
[0005]过渡金属如钴、镍、铜、铁等，由于其高活性而被广泛报道用于有机污染物的降解。然而，在降解污染物的同时，金属离子浸出和毒性限制了它们的实际应用，水中引入重金属离子，各个金属含量不能超过国家标准排放的水中要求，造成环境的二次污染；此外，纯碳材料对过硫酸盐的活化能力较弱，通常表现为吸附作用，同样达不到降解的目的。因此，非金属掺杂生物碳被认为是上述材料的替代品。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对油茶壳再利用问题、以及金属掺杂催化剂因离子浸出和重金属毒性导致的环境污染问题，提供一种氮硫共掺杂生物碳，不仅解决了现有技术中存在的资源浪费，同时将其应用于水中有机污染物的降解方法，解决了环境污染、有机污染物难降解等问题。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是，
[0008]一种氮硫共掺杂生物碳，它是先将油茶壳在氮气氛围下600～650℃煅烧得到碳基质，再以尿素作为氮源、硫脲作为硫源，在氮气氛围下先升温至500～550℃维持1～1.5h、再经800～850℃高温淬火1.5～2h制得的氮硫共掺杂生物碳。
[0009]本专利技术的另一个目的是提供一种所述的氮硫共掺杂生物碳的制备方法，包括以下步骤：
[0010]步骤(1)、干燥油茶壳打成粉末，放入管式炉中，在氮气氛围下升温至600～650℃煅烧2～3h，形成碳基质；
[0011]步骤(2)、将碳基质、尿素和硫脲充分研磨，放入管式炉中，在氮气氛围下，先升温至500～550℃维持1～1.5h，再升温至800～850℃煅烧1.5～2h，制得氮硫共掺杂生物碳。
[0012]步骤(1)中，氮气流速为4～6cm3/min，优选为5cm3/min。
[0013]升温速率为3～6℃/min。
[0014]优选的，干燥油茶壳打成粉末，放入管式炉中，在氮气氛围下，以升温速率为3℃/min升温至600℃煅烧3h，形成碳基质；
[0015]步骤(2)中，所述的碳基质、尿素和硫脲的质量比为1:5:(5～10)，优选为1:5:(7.5～10)，更优选为1:5:10。
[0016]氮气流速为4～6cm3/min，优选为5cm3/min。
[0017]第一次和第二次升温的升温速率均为3～6℃/min。
[0018]优选的，将碳基质、尿素和硫脲充分研磨，放入管式炉中，在氮气氛围下，先以升温速率3℃/min升温至500～525℃维持1h，再以升温速率3℃/min升温至800℃煅烧2h，制得氮硫共掺杂生物碳。
[0019]本专利技术的另一个目的是提供一种所述的氮硫共掺杂生物碳应用于水中有机污染物的降解方法，包括：将氮硫共掺杂生物碳加入废水中，先搅拌至吸附平衡，再加入过一硫酸盐，室温搅拌降解有机污染物。
[0020]所述的氮硫共掺杂生物碳催化剂的用量为300～450mg/L，优选为300mg/L；所述的过一硫酸盐的用量为0.90～1.35mM，优选为0.90mM；pH为5～7，优选为5。
[0021]所述的有机污染物为2,4
‑
二氯苯酚、氧氟沙星、磺胺甲恶唑、阿特拉津、草甘膦。
[0022]作为本专利技术所述的氮硫共掺杂生物碳应用于水中有机污染物的降解方法，还包括：当废水中含有CO
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‑
时，先加入氯化钙将CO
32
‑
转化为碳酸钙沉淀，再将氮硫共掺杂生物碳加入废水中，先搅拌至吸附平衡，再加入过一硫酸盐，室温搅拌降解有机污染物。
[0023]本专利技术的有益效果：
[0024]本专利技术以价廉易得的农业活动生产废料油茶壳、尿素、硫脲为原料，制备方法简便，形成氮硫掺杂生物碳催化剂，可广泛用于有机污染物的降解。
[0025]制备碳基质时，在氮气氛围下进行煅烧能够防止氧气与生物碳高温反应生成二氧化碳，恒速升温能够确保油茶壳中的焦油慢慢释放，避免升温过快会导致焦油堵塞仪器；并在600～650℃恒温煅烧，确保油茶壳煅烧生成更多的生物碳且最大化去除焦油，提高效率；若煅烧温度过低，焦油会负载在生物碳表面，堵塞生物碳的孔道，影响后续氮硫的掺杂。制备氮硫共掺杂生物碳时，在氮气氛围下煅烧同样能够防止氧气与生物碳高温反应生成二氧化碳，恒速升温，避免升温过快导致氮和硫元素在碳基质表面团聚，先恒速升温至500～550℃，再恒速升温至800～850℃，有利于尿素和硫脲分别在生物碳表面生成更多利于有机物
降解的石墨氮和噻吩硫。
[0026]本专利技术实现油茶壳的再利用，使其变废为宝，是节约资源、保护环境、实现经济利益最大化的有效途径，对于环境保护和经济可持续发展非常重要。
[0027]本专利技术氮硫共掺杂生物碳作为催化剂用于水中有机污染物的降解，解决了金属掺杂催化剂因离子浸出和重金属毒性导致的环境污染问题。非金属原子掺杂可以调节生物碳轨道杂化的电子特性，增加活性位点，加速电子转移，可有效降解水中有机污染物。本专利技术氮硫共掺杂生物碳对有机污染物的降解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮硫共掺杂生物碳，其特征在于：它是先将油茶壳在氮气氛围下600～650℃煅烧得到碳基质，再以尿素作为氮源、硫脲作为硫源，在氮气氛围下先升温至500～550℃维持1～1.5h、再经800～850℃高温淬火1.5～2h制得的氮硫共掺杂生物碳。2.根据权利要求1所述的氮硫共掺杂生物碳，其特征在于：所述的碳基质、尿素和硫脲的质量比为1:5:(5～10)。3.根据权利要求2所述的氮硫共掺杂生物碳，其特征在于：所述的碳基质、尿素和硫脲的质量比为1:5:(7.5～10)。4.根据权利要求3所述的氮硫共掺杂生物碳，其特征在于：所述的碳基质、尿素和硫脲的质量比为1:5:10。5.一种权利要求1所述的氮硫共掺杂生物碳的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)、干燥油茶壳打成粉末，放入管式炉中，在氮气氛围下升温至600～650℃煅烧2～3h，形成碳基质；步骤(2)、将碳基质、尿素和硫脲充分研磨，放入管式炉中，在氮气氛围下，先升温至500～550℃维持1～1.5h，再升温至800～850℃煅烧1.5～2h，制得氮硫共掺杂生物碳。6.根据权利要求5所述的氮硫共掺杂生物碳的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，氮气流速为4～6cm3/min；升温速率为3～6℃/min；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝洁，缪领珍，吴磊，罗凯，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：