[发明专利]一种掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂及其在酸性难降解废水处理中的应用

说明书

本发明公开了一种掺N石墨烯‑氧化铈复合催化剂，其制备方法包括以下步骤：(1)将CeO₂前驱体、碳源以及氮源加入水中，搅拌均匀，烘干；(2)将烘干的固体研磨后，在氮气保护下焙烧，冷却，即得掺N石墨烯‑氧化铈复合催化剂。本发明还公开了掺N石墨烯‑氧化铈复合催化剂在酸性难降解废水处理中的应用。本发明的掺N石墨烯‑氧化铈复合催化剂可在酸性乃至强酸性条件下有效催化臭氧氧化降解有机污染物。

技术领域

本发明涉及废水处理领域，尤其涉及一种掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂及其在酸性难降解废水处理中的应用。

背景技术

随着人类工业技术的快速发展，全球环境污染日趋严重。高浓度、多组分、难降解的有机工业废水是环境污染中影响最广，危害最严重的污染源之一，因此有机废水成为环境科学和材料工程中备受关注的研究对象。在工业生产中，有机物的硝化、磺化、酯化、烷基化、催化和干燥等过程产生大量的高浓度有机废酸。废酸直接利用较为困难，传统处理工艺中的物理方法和生物方法往往不能得到满意的结果，开发简单、高效、节能的酸性废水处理方法是如今环境科学与工程研究的焦点。近年来，用法学法实现污染物的高度降解已成为国际水处理领域的研究热点，高级氧化技术(advanced oxidation process，AOPs)是现如今处理有机难降解废水最具有应用前景的方法之一。

臭氧类高级氧化技术作为高级氧化技术的一个分支，其利用臭氧产生羟基自由基氧化分解水中有机污染物。臭氧具有很高的标准氧化还原电位，能和大多数有机物发生氧化还原反应，破坏有机物结构，副产物无毒，基本无二次污染，有着许多别的氧化剂无法比拟的优点。近年来，催化臭氧化技术的研究拓展到光、超声、微波等方法连用，形成了光催化臭氧化(photocatalytic ozonation)、超声催化臭氧化(ultrasonic ozonation)、微波催化臭氧化(microwave-ozonation)和电化学耦合臭氧化(electro-ozonation)。

臭氧在碱性条件下较容易生成羟基自由基，然而碱性条件容易积累碳酸盐等羟基自由基淬灭剂，而且氧化过程中有机酸的生成使溶液pH下降，导致降解效率下降甚至终止。选择合适催化剂如过渡金属氧化物CuO、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃催化臭氧生成更高氧化性的羟基自由基(·OH)是目前研究臭氧高级氧化的核心内容。臭氧双氧水耦合技术使得臭氧在酸性条件下分解产生羟基自由基成为可能，但是效率依然较低。

近年来非均相催化H₂O₂/O₃体系是研究的热点之一。钛路易斯酸，钛硅分子筛(TS-1)和固体超强酸(SZF)氧化铈(CeO₂)是近年来我们发现的效率较高的几个催化剂。其中氧化铈的效率明显优于其他前者，但是在酸度较高的溶液中，降解效率不理想。

发明内容

针对现有的臭氧高级氧化技术在酸性条件下对有机污染物处理效率较低的不足，本发明的目的在于提供一种掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂，可在酸性乃至强酸性条件下有效催化臭氧氧化降解有机污染物。

本发明提供了如下技术方案：

一种掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂，其制备方法包括以下步骤：

(1)将CeO₂前驱体、碳源以及氮源加入水中，搅拌均匀，烘干；

(2)将烘干的固体研磨后，在氮气保护下焙烧，冷却，即得掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂。

制得的掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂(NG-CeO₂)中碳以石墨烯的形式存在，掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂为云状多孔高比表面积的纳米复合物。

所述的CeO₂前驱体为六水合硝酸亚铈；碳源为葡萄糖；氮源为三聚氰胺、双氰胺和尿素中的至少一种。