一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂

本发明涉及一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂。

背景技术：

1、生物质衍生碳材料具有可调的孔隙结构、可调节的表面化学性质和良好的热稳定性，在清洁能源储存和环境修复中具有特别的意义,纤维素的低成本和易获得性使其成为制备各种碳基材料的一个有吸引力的前体。生物质衍生碳基材料的形成主要涉及到纤维素的高温热解碳化，与传统热解相比，微波方法的优点包括非接触加热、低能耗以及选择性加热的可能性。到目前为止，由于生物质不是一种有效的微波吸收剂，生物质碳化的工作相当有限。因此设计微波吸收剂作为生物质衍生碳材料的一部分，以实现生物质和微波吸收剂的高效利用仍具有挑战性。

2、目前，有机污染物过量排放引起的水污染越来越受到世界各地的关注。人们探索了各种降解水中有机污染物的方法，如高级氧化、吸附、生物氧化和光降解等。传统的物理、化学和生化处理难以满足有机污染物降解的经济要求。芬顿类工艺作为有机废水处理最有前途的途径之一，近年来得到了广泛的研究。由于羟基自由基（·oh）、硫酸盐自由基（so4·−）、超氧阴离子自由基（o2·−）和单氧（1o2），的氧化能力能高效降解或矿化有机污染物。此外，负载了过渡金属（fe2+、mn2+、co2+和cu2+）的催化剂可以有效地活化过氧单硫酸盐（pms）产生大量的自由基。

3、化学吹制是一种通过成型过程中化学反应产生的挥发物发泡的方法。化学吹气剂具有在特定温度范围内的热分解特性，可以释放一种或多种气体，以实现对材料的孔径、密度和微观结构的控制。表面硫化改性已被证明是提高各种材料催化性能的有效方法，包括增强固体锂硫电池的反应性，提高金属在原位化学还原中的选择性，以及在污染物转化中减少金属的聚集。表面硫化后，表面硫化物可以作为pms的有效电子供体，引发自由基链反应，诱导产生主要活性物质和其他活性中间体（·oh和so4·−）来降解有机污染物。

技术实现思路

1、本发明以硝酸钴、硝酸铁、α-纤维素、碳酸氢铵和硫脲为原料，直接使用研钵把所有的固体物混合均匀，采用微波热解法在850w下加热3分钟，制备改性尖晶石/多孔生物碳催化剂。发明提供的制备方法简单，制备时间短，可用于激活pms降解有机污染物，催化剂容易回收利用。

2、本发明公开了一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂，所采用的技术方案是：通过简单、超快的微波辅助一锅固态法，采用850w家用微波炉将硝酸钴、硝酸铁、α-纤维素、碳酸氢铵和硫脲固体混合物加热 3分钟，制备得到钴铁尖晶石和金属硫化物分散良好、富含氧空位和吡咯氮以及具有较大的比表面积的sx-cf@pc催化材料，其中碳酸氢铵的作用为辅助化学吹制，硫脲的作用为催化材料表面硫化；

3、上述sx-cf@pc催化材料的制备步骤为：将2 mmol co(no3)2·6h2o，4 mmol fe(no3)3·9h2o、1g α-纤维素、1g碳酸氢铵和x mmol硫脲（x =0.6、0.8、1.0和1.2）在研钵中均匀地混合。将得到的混合物置于25ml坩埚中，用850w家用微波炉微波照射3 分钟，得到sx-cf@pc催化剂；

4、催化剂活化过氧单硫酸盐pms降解有机污染物的反应步骤为：在含有50 ml 有机污染物的水溶液（20 mg/l）的反应器中加入0.16 g/l的催化剂。搅拌15 min达到吸附平衡后，向反应器中加入所需量的浓度为0.5 g/l的pms，开始降解有机污染物，在预定的时间间隔内提取1 ml的反应溶液，使用0.22µm的微孔膜过膜，挤压入含有2 ml甲醇的离心管中。然后，用紫外-可见分光光度计分析有机污染物的浓度。

5、上述的一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂，其特征在于：sx-cf@pc/pms系统可降解的有机污染物包括对硝基苯酚、盐酸四环素、环丙沙星、磺胺、盐酸土霉素、甲基橙、亚甲基蓝、刚果红、罗丹明b。

6、上述的一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂，其特征在于：相比于传统的热解方法，微波辅助的化学吹制和表面硫化有利于催化剂中尖晶石和金属硫化物的分散，氧空位和吡咯n的生产以及比表面积的增大。

7、上述的一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂，其特征在于：催化剂的制备工艺简单，时间短；污染物的降解效率高，其中对硝基苯酚在10 min内可实现99%的去除效率，速率常数高达0.564 min−1。

技术特征：

1.一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂，其特征在于，通过简单、超快的微波辅助一锅固态法，采用850w家用微波炉将硝酸钴、硝酸铁、α-纤维素、碳酸氢铵和硫脲固体混合物加热 3分钟，制备得到钴铁尖晶石和金属硫化物分散良好、富含氧空位和吡咯氮以及具有较大的比表面积的sx-cf@pc催化材料，其中碳酸氢铵的作用为辅助化学吹制，硫脲的作用为催化材料表面硫化；

2.根据权利要求1所述的一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂，其特征在于：sx-cf@pc/pms系统可降解的有机污染物包括对硝基苯酚、盐酸四环素、环丙沙星、磺胺、盐酸土霉素、甲基橙、亚甲基蓝、刚果红、罗丹明b。

3.根据权利要求1所述的一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂，其特征在于：相比于传统的热解方法，微波辅助的化学吹制和表面硫化有利于催化剂中尖晶石和金属硫化物的分散，氧空位和吡咯n的生产以及比表面积的增大。

4. 根据权利要求1所述的一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂，其特征在于：催化剂的制备工艺简单，时间短；污染物的降解效率高，其中对硝基苯酚在10 min内可实现99%的去除效率，速率常数高达0.564 min−1。

技术总结
本发明采用微波辅助一锅固体法构建尖晶石/多孔生物碳催化剂，并将其用于催化活化过氧单硫酸盐（PMS）高效降解有机污染物。采用850W家用微波炉将硝酸钴、硝酸铁、α‑纤维素、碳酸氢铵和硫脲组成的固体混合物加热3分钟制备改性尖晶石/多孔生物碳催化剂。碳酸氢铵辅助化学吹制和硫脲辅助表面硫化有利于催化剂尖晶石的分散、表面硫化、氧空位和吡咯N的形成以及比表面积的增大。分散良好的尖晶石和金属硫化物可以激活PMS产生更多的SO4.‑和.OH以降解有机污染物；同时，氧空位和吡咯氮很容易捕获PMS激活的电子,促进基于1O2的非自由基有机污染物降解途径。催化剂在10 min内可达到99%的对硝基苯酚污染物去除率，速率常数高达0.564min−1。

技术研发人员：蒋和雁,周倩
受保护的技术使用者：重庆工商大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15