一种铁氮共掺杂生物炭催化剂及其制备方法、应用

本发明涉及污水深度处理技术领域，具体涉及一种铁氮共掺杂生物炭催化剂，还涉及所述铁氮共掺杂生物炭催化剂的制备方法、所述铁氮共掺杂生物炭催化剂的应用。

背景技术：

研究数据显示，在2000年至2015年期间，全球抗生素的总消费量从21.1上升到348亿ddds(确定的日剂量)，在人体中约有61.5％含量的抗生素会保持母体结构不变，并直接通过排泄进入管网，后进入污水处理厂进行净化。尽管污水在经过污水处理厂传统和深度的处理后，液相中的抗生素可被有效去除，但抗生素仍可能在生物固体物中积累，这导致水生环境中抗生素抗性基因传播的风险增大。特别是在农村地区，由于原始资金的缺乏和污水处理技术的落后，废水和牲畜粪便未经处理就直接排放到河流中。因此，寻找高效、低成本和工艺简单的抗生素降解方法成为解决抗生素污染的迫切要求。

近年来，基于硫酸根自由基的高级氧化工艺因其具有较高的氧化还原电势、对有机物高效的选择性、对ph值变化具有良好的适应性以及半衰期更长的优势，从而受到了广泛的关注。因此，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。当下催化剂在进行废水处理时，存在对污水中难以降解的抗生素类污染物的去除效果不佳，影响废水深度处理净化质量的问题

技术实现要素：

针对现有技术的问题，本发明提供一种铁氮共掺杂生物炭催化剂、制备方法及其应用，以解决当下催化剂对污水中难以降解的抗生素类污染物的去除效果不佳、影响废水深度处理净化质量的问题。

本发明采用以下技术方案实现：

一种铁氮共掺杂生物炭催化剂，其用于去除市政污水处理厂尾水中难以降解的抗生素污染物，其特征在于，所述铁氮共掺杂生物炭催化剂具有以下组分：玉米秸秆、铁源、氮源和还原剂按比例制作所述铁氮共掺杂生物炭催化剂；

其中，所述铁源、氮源和还原剂的重量份配比为5.56：3：2.5。

作为上述方案的进一步改进，所述铁源采用feso4·7h2o；所述氮源采用尿素；所述还原剂采用抗坏血酸。

一种铁氮共掺杂生物炭催化剂的制备方法，其应用于制备所述铁氮共掺杂生物炭催化剂，制备方法包括以下步骤：

s1提供玉米秸秆、铁源、氮源、还原剂；

所述铁源采用feso4·7h2o；所述氮源采用尿素；所述还原剂采用抗坏血酸；

s2所述玉米秸秆制成粉末，备用；

s3将所述铁源、氮源和还原剂溶解在去离子水中，获得标记为溶液a的混合液；

s4将制成粉末的所述玉米秸秆加入所述溶液a中，混合得到的物料标记为混合物b；

s5所述混合物b进行煅烧处理，得到标记为混合物c的反应物；

s6所述混合物c进行干燥处理，干燥物标记为材料d；

s7所述材料d进行洗涤，将洗涤物标记为材料e；

s8对所述材料e进行干燥，获得标记为材料f的干燥物；

s9所述材料f进行煅烧处理，煅烧产物标记为材料g；

s10所述材料g进行清洗，清洗产物标记为材料h；

s11所述材料h干燥处理至恒重，获得铁氮共掺杂生物炭。

作为上述方案的进一步改进，所述玉米秸秆制成粉末这一过程于植物破碎机中进行；所述筛网的规格为80目。

作为上述方案的进一步改进，所述溶液a为5.56gfeso4·7h2o、3.00g尿素和2.50g抗坏血酸溶解在100ml去离子水中，配制得到的混合液。

作为上述方案的进一步改进，所述煅烧处理过程在马弗炉中进行；所述马弗炉的运行温度为180℃，反应时间为10h；所述混合物c置于真空干燥箱中，在50℃条件下干燥处理12h。

作为上述方案的进一步改进，所述材料f置于管式炉中，以10℃/min的速率升温，并在600℃的条件下煅烧处理2h。

一种铁氮共掺杂生物炭催化剂在高效去除水中抗生素中的应用。

作为上述方案的进一步改进，所述应用的操作如下：

提供过硫酸盐、所述铁氮共掺杂生物炭催化剂，所述铁氮共掺杂生物炭催化剂采用所述铁氮共掺杂生物炭催化剂的制备方法制备得到；

将所述铁氮共掺杂生物炭催化剂投入含有抗生素的废水中；

向所述废水中投入过硫酸盐；

反应一段时间后，分离出所述铁氮共掺杂生物炭催化剂，并进行重复使用五次以上。

作为上述方案的进一步改进，所述铁氮共掺杂生物炭催化剂的投加标准为0.1g/l；所述过硫酸盐的投加标准为10mmol/l。

本发明提出的一种铁氮共掺杂生物炭催化剂、制备方法及其应用，具有以下有益效果：铁氮共掺杂生物炭催化剂呈固态，其负载有铁氧化物和丰富的氮官能团，可高效激活过硫酸盐产生强氧化性羟基自由基、硫酸根自由基和单线态氧，从而持续地降解水中的抗生素类污染物。铁氮共掺杂生物炭催化剂具备高效性、稳定性、可重复利用性以及广泛适用性的特点，可实现生物质资源的转化利用，为抗生素废水处理乃至工业废水的深度处理提供了一种新方法。

综上，本发明获得的铁氮共掺杂生物炭催化剂，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，为抗生素废水处理乃至工业废水的深度处理提供了一种新方法。

附图说明

图1为实施例1提出的一种铁氮共掺杂生物炭催化剂的扫描电镜图。

图2为实施例2提出的一种铁氮共掺杂生物炭催化剂的制备方法的流程图，其用于制备图1中的铁氮共掺杂生物炭催化剂。

图3为实施例3提出的一种铁氮共掺杂生物炭催化剂在高效去除水中抗生素中的应用的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

当下催化剂使用时存在对污水中难以降解的抗生素类污染物的去除效果不佳、影响废水深度处理净化质量的问题。故，本案发明人提供以下实施例，以解决上述问题。

实施例1

请参照图1，本实施例公开了一种铁氮共掺杂生物炭催化剂，其用于去除市政污水处理厂尾水中难以降解的抗生素污染物。所述铁氮共掺杂生物炭催化剂具有以下组分：玉米秸秆、铁源、氮源和还原剂按比例制作所述铁氮共掺杂生物炭催化剂。其中，所述铁源、氮源和还原剂的重量份配比为5.56：3：2.5。

本实施例中，以铁源采用feso4·7h2o、氮源采用尿素、还原剂采用抗坏血酸为例进行说明，在其他实施例中，铁源、氮源和还原剂可根据实际情况进行替换。

图1所示为本实施例中铁氮共掺杂生物炭催化剂的扫描电镜图。从图中可以分析出，铁氮共掺杂生物炭催化剂呈固态，其负载有铁氧化物和丰富的氮官能团，可高效激活过硫酸盐产生强氧化性羟基自由基、硫酸根自由基和单线态氧，从而持续地降解水中的抗生素类污染物。铁氮共掺杂生物炭催化剂应用在污水的净化处理中，属于非均相催化剂类。

相较于当下污水处理催化剂，本实施例提出的铁氮共掺杂生物炭催化剂具有下述优点：铁氮共掺杂生物炭催化剂具备高效性、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，为抗生素废水处理乃至工业废水的深度处理提供了一种新方法。

实施例2

请参照图2，本实施例公开了一种铁氮共掺杂生物炭催化剂的制备方法，其应用于制备如实施例1所述的铁氮共掺杂生物炭催化剂，制备方法包括以下步骤：

s1提供玉米秸秆、铁源、氮源、还原剂；

所述铁源采用feso4·7h2o；所述氮源采用尿素；所述还原剂采用抗坏血酸。

s2所述玉米秸秆制成粉末，备用；

将玉米秸秆经去离子水洗净，并干燥至恒重，将干燥后的玉米秸秆制成粉末，玉米秸秆制成粉末这一过程于植物破碎机中进行，后将粉末过规格为80目的筛网进行细筛，获得玉米秸秆粉末。

s3将所述铁源、氮源和还原剂溶解在去离子水中，获得标记为溶液a的混合液；

所述溶液a为5.56gfeso4·7h2o、3.00g尿素和2.50g抗坏血酸溶解在100ml去离子水中，配制得到的混合液。

s4将制成粉末的所述玉米秸秆加入所述溶液a中，混合得到的物料标记为混合物b；

玉米秸秆粉末加入混合液a中，在超声条件下进行混合处理，得到混合物b。

s5所述混合物b进行煅烧处理，得到标记为混合物c的反应物；

混合物b置于反应釜中，将混合物b连同反应釜一并置于运行温度设定为180℃的马弗炉中进行煅烧处理10h，得到的混合物c。

s6所述混合物c进行干燥处理，干燥物标记为材料d；

将混合物c置于真空干燥箱中，在50℃条件下干燥处理12h，得到材料d。

s7所述材料d进行洗涤，将洗涤物标记为材料e；

用去离子水反复洗涤所述材料d直至其呈中性，得到材料e。

s8对所述材料e进行干燥，获得标记为材料f的干燥物；

将材料e置于真空干燥箱中，于60℃条件下干燥24h，得到材料f。

s9所述材料f进行煅烧处理，煅烧产物标记为材料g；

将材料f置于管式炉中，以10℃/min的速率升温，并在600℃的条件下煅烧处理2h，得到材料g。

s10所述材料g进行清洗，清洗产物标记为材料h；

用乙醇和去离子水反复清洗材料g，得到材料h。

s11所述材料h干燥处理至恒重，获得铁氮共掺杂生物炭；

将材料h置于50℃的鼓风干燥箱中干燥处理至恒重，得到铁氮共掺杂生物炭。

本实施例提出的制备方法，其通过采用直接热解碳化的方式将玉米秸秆原料转化为铁氮共掺杂生物炭催化剂，关于铁氮共掺杂生物炭催化剂在实施例1中已具体进行说明，因此，本实施例中不再赘述。

实施例3

请参照图3，本实施例公开了一种铁氮共掺杂生物炭催化剂在高效去除水中抗生素中的应用。所述应用的操作如下：

提供过硫酸盐、如实施例1所述的铁氮共掺杂生物炭催化剂，所述铁氮共掺杂生物炭催化剂采用如实施例2所述铁氮共掺杂生物炭催化剂的制备方法制备得到。

将所述铁氮共掺杂生物炭催化剂投入含有(诺氟沙星)抗生素的废水中；

铁氮共掺杂生物炭催化剂的投加标准为0.1g/l。

向所述废水中投入过硫酸盐；

过硫酸盐的投加标准为10mmol/l。

反应一段时间后，分离出所述铁氮共掺杂生物炭催化剂，并进行重复使用五次以上；

将铁氮共掺杂生物炭催化剂和过硫酸盐投加到废水中，铁氮共掺杂生物炭催化剂高效激活过硫酸盐产生强氧化性羟基自由基、硫酸根自由基和单线态氧，从而持续地降解水中的抗生素。

本实施例以用铁氮共掺杂生物炭催化剂去除废水中的诺氟沙星为例进行说明。并经过测试得出以下结果：铁氮共掺杂生物炭催化剂能够在20min内降解96％的诺氟沙星，且在经过5次重复利用后仍能够达到70％的去除率，同时矿化率达50％。该测试结果证明了铁氮共掺杂生物炭材料具有高效性、稳定性、可重复利用性以及广泛适用性和经济性的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。