石墨型C3N4材料的制备方法、石墨型C3N4材料及其应用与流程

本发明属于环保新材料的制备技术领域，涉及一种石墨型C₃N₄材料的制备方法、石墨型C₃N₄材料及其应用，具体涉及一种石墨型C₃N₄材料在处理垃圾渗滤液中的应用。

背景技术：

近年来，环境污染问题日益突出，环境光催化技术被认为是一种低成本、环境友好型的环境治理技术。目前高性能、无害光催化材料的设计与开发成为环境光催化技术发展的方向，被广泛关注。

C₃N₄是一种具有石墨结构的非金属聚合物半导体，由于其独特的光学特性，且具有较高的稳定性、易制备和无毒等特点，作为一种光催化材料在环境有机污染物降解、光解水制氢等领域具有广泛研究。然而，传统方法制备的C₃N₄材料比表面积较小，量子效率低等缺点，致使其光催化活性较低。目前已有文献报道新型合成C₃N₄材料的方法，改善了其比表面积小，光催化活性低等缺点，但其所需要原材料成本高，制备过程比较繁琐，不利于大规模工业化生产。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种原料种类少且价格低廉、工艺简单、生产成本低、适用于工业化大规模生产的石墨型C₃N₄材料的制备方法，还提供了一种由该方法制得的比表面积大、光催化活性高的石墨型C₃N₄材料及该石墨型C₃N₄材料在处理垃圾渗滤液中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种石墨型C₃N₄材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、升温煅烧：按升温速率为3℃/min～8℃/min，将尿素升温加热至500℃～600℃；

S2、恒温煅烧：将温度保持在500℃～600℃煅烧，得到石墨型C₃N₄材料。

上述的石墨型C₃N₄材料的制备方法中，优选的，所述步骤S2中所述煅烧的时间为2h～4h。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种石墨型C₃N₄材料，所述石墨型C₃N₄材料由上述的制备方法制备得到。

上述的石墨型C₃N₄材料中，优选的，所述石墨型C₃N₄材料的比表面积为30.1m²/g～68.7m²/g。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的石墨型C₃N₄材料在处理垃圾渗滤液中的应用。

上述的应用中，优选的，所述应用的方法包括以下步骤：向垃圾渗滤液中加入所述石墨型C₃N₄材料超声分散，然后在光照条件下进行振荡降解处理，完成对垃圾渗滤液的降解。

上述的应用中，优选的，所述石墨型C₃N₄材料的添加量为每100mL垃圾渗滤液中添加石墨型C₃N₄材料0.01g～0.05g。

上述的应用中，优选的，所述垃圾渗滤液中初始总有机碳浓度为80mg/L～160mg/L。

上述的应用中，优选的，所述超声分散的频率为5KHz～10KHz，时间为3min～5min。

上述的应用中，优选的，所述光照的强度为10Lux～20Lux；所述振荡降解处理的转速为120r/min～150r/min，时间为24h～48h。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明提供了一种石墨型C₃N₄材料的制备方法，以尿素为原料经升温煅烧和恒温煅烧后制得石墨型C₃N₄材料。本发明中通过控制升温煅烧阶段的升温速率，其结果是石墨型C₃N₄材料具有完全不同的形貌特点，且具有较大的不同的比表面积。本发明方法制得的石墨型C₃N₄材料的比表面积为30.1m²/g～68.7m²/g，具有比表面积大、光催化活性高等优点，具有高效、长期光催化降解污染物的性能。若制备方法中没有对升温煅烧阶段的升温速率进行控制，则石墨型C₃N₄材料的比表面积将得不到本发明这样的效果，无法满足实际需求。

2、本发明提供了一种石墨型C₃N₄材料的制备方法，是一种快速制备石墨型C₃N₄材料的方法，其需要的原料种类少且价格低廉，工艺简单，有效降低了生产成本低，适用于工业化大规模生产，具有很大的实际应用价值。

3、本发明的石墨型C₃N₄材料可用于光催化降解垃圾渗滤液，能够高效降解垃圾渗滤液中有机污染物，对垃圾渗滤液具有很好的预处理效果，为后续垃圾渗滤液的生物处理提供便利。

附图说明

图1为实施例1制备的石墨型C₃N₄材料的透射电镜(TEM)图。

图2为实施例1制备的石墨型C₃N₄材料的扫描电镜(SEM)图。

图3为实施例1制备的石墨型C₃N₄材料的X射线衍射(XRD)图。

图4为实施例3中不同石墨型C₃N₄材料添加量对垃圾渗滤液的降解效果图。

图5为实施例4中石墨型C₃N₄材料对不同初始浓度垃圾渗滤液的降解效果图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1

一种本发明的石墨型C₃N₄材料的制备方法，包括以下步骤：

称取6份尿素，每份10g，分别置于100mL的坩埚中，盖好盖子，然后用锡箔纸包裹严实；把上述样品放置在马弗炉的中间位置，进行煅烧。煅烧具体为，按升温速率分别为3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min，将尿素从室温升温加热至600℃，然后将温度保持在600℃恒温煅烧4h。在空气中冷却后，将样品在研钵中研磨5min，所得的亮黄色粉末即为石墨型C₃N₄材料。本实施例中，升温速率为3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min时制得的石墨型C₃N₄材料分别编号为A1、A2、A3、A4、A5、A6，它们的比表面积测试结果见表1。

图1为本实施例制备的石墨型C₃N₄材料A3的TEM图。如图1所示，本发明制备的石墨型C₃N₄材料具有片状结构。

图2为本实施例制备的石墨型C₃N₄材料A3的SEM图。如图2所示，本发明制备的石墨型C₃N₄材料具有较大的比表面积。

图3为本实施例制备的石墨型C₃N₄材料A3的XRD图。如图3所示，本发明制备的石墨型C₃N₄材料在27.2°处有明显的衍射峰。

表1 本发明实施例1制备得到的石墨型C₃N₄材料的比表面积测试结果

由表1中的数据可得知，升温速率越快，石墨型C₃N₄材料的比表面积越大；当升温速率超过8℃/min，最后制得石墨型C₃N₄材料的量越来越少，甚至尿素全部跑掉，一点固体都不会残留，得不到石墨型C₃N₄材料。由此可见，本发明通过控制升温煅烧阶段的升温速率，不仅能够获得比表面积大的石墨型C₃N₄材料，同时还能保证石墨型C₃N₄材料的产量，从而提高生产效率，以满足实际需求。

实施例2

一种本发明的石墨型C₃N₄材料的制备方法，包括以下步骤：

称取3份尿素，每份10g，分别置于100mL的坩埚中，盖好盖子，然后用锡箔纸包裹严实；把上述样品放置在马弗炉的中间位置，进行煅烧。煅烧具体为，按升温速率为5℃/min将尿素从室温升温加热至600℃，然后保持温度在600℃恒温煅烧，恒温煅烧时间分别为2h、3h、4h。在空气中冷却后，将样品在研钵中研磨5min，所得的亮黄色粉末即为石墨型C₃N₄材料。本实施例中，恒温煅烧时间为2h、3h、4h时制得的石墨型C₃N₄材料分别编号为B1、B2、B3，它们的比表面积测试结果见表2。

表2 本发明实施例2制备得到的石墨型C₃N₄材料的比表面积测试结果

由表2中的数据可得知，煅烧时间的延长有助于石墨型C₃N₄材料的片状结构形成，从而大大的增加了其比表面积。若恒温煅烧时间太长，尿素也会全部跑掉，一点固体都不会残留，得不到石墨型C₃N₄材料。由此可见，本发明通过控制恒温煅烧阶段的煅烧时间，不仅能够获得比表面积大的石墨型C₃N₄材料，同时还能保证石墨型C₃N₄材料的产量，从而提高生产效率，以满足实际需求。

实施例3

一种本发明的石墨型C₃N₄材料在处理垃圾渗滤液中的应用，包括以下步骤：

向垃圾渗滤液中加入实施例1制得的石墨型C₃N₄材料A3，于频率为10KHz条件下进行超声分散3min，所得混合液在光照强度为15Lux的光照条件下，于转速为150r/min下振荡降解处理48h，完成对垃圾渗滤液的降解。本实施例中，每100mL的垃圾渗滤液中添加石墨型C₃N₄材料分别为0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05g，其中垃圾渗滤液中初始总有机碳浓度为100mg/L。

图4为不同石墨型C₃N₄材料添加量对垃圾渗滤液的降解效果图。如图4所示，本发明制备的石墨型C₃N₄材料对于初始TOC浓度为100mg/L的垃圾渗滤液，经过48h的光照振荡降解，TOC的残留浓度依次为77.5mg/L、73.2mg/L、68.5mg/L、60.2mg/L、53.6mg/L。由此可见，本发明制备的石墨型C₃N₄材料对垃圾渗滤液具有很好的预处理效果，为后续垃圾渗滤液的生物处理提供便利。

实施例4

一种本发明的石墨型C₃N₄材料在处理垃圾渗滤液中的应用，包括以下步骤：

向垃圾渗滤液中加入实施例1制得的石墨型C₃N₄材料A3，于频率为10KHz条件下进行超声分散3min，所得混合液在光照强度为15Lux的光照条件下，于转速为150r/min下进行振荡降解处理48h，完成对垃圾渗滤液的降解。本实施例中，每100mL的垃圾渗滤液中添加石墨型C₃N₄材料为0.05g，其中垃圾渗滤液中初始总有机碳浓度分别为80mg/L、100mg/L、120mg/L、140mg/L、160mg/L。

图5为本发明石墨型C₃N₄材料对不同初始浓度垃圾渗滤液的降解效果图。如图5所示，本发明制备的石墨型C₃N₄材料对于初始TOC浓度分别为80mg/L、100mg/L、120mg/L、140mg/L、160mg/L的垃圾渗滤液，经过48h的光照振荡降解，TOC的残留浓度依次为39.2mg/L、53.6mg/L、77.3mg/L、98.5mg/L、120.6mg/L。由此，本发明制备的石墨型C₃N₄材料对垃圾渗滤液具有很好的预处理效果，为后续垃圾渗滤液的生物处理提供便利。

综上所述，本发明提供的石墨型C₃N₄材料具有良好的光催化降解垃圾渗滤液中有机污染物的性能；与现有技术相比，本发明提供的快速制备方法，其需要的原料种类少且价格低廉，工艺简单，有效降低了生产成本，适用于工业化大规模生产。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，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的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。