[发明专利]一种金属复合原位氮掺杂碳微球催化剂及其应用

说明书

一种金属复合原位氮掺杂碳微球催化剂及其应用，它涉及一种催化剂在水处理中的应用。本发明的目的是要解决现有制备方法的碳材料用于催化氧化处理受污染水体时存在的催化速率较慢，投量大和处理效果差的问题。方法：一、制备原位氮掺杂碳微球；二、原位氮掺杂碳微球的改性，得到金属复合原位氮掺杂碳微球催化剂。一种金属复合原位氮掺杂碳微球催化剂与氧化剂结合处理受污染水体。本发明制备的金属复合原位氮掺杂碳微球催化剂具有速率快，降解有机污染物效果好的优点：对于阿特拉津的降解，催化过硫酸盐15min即可反应完全。本发明可获得金属复合原位氮掺杂碳微球催化剂。

技术领域

本发明涉及一种催化剂在水处理中的应用。

背景技术

随着全球科技和工农业技术的快速发展，水体污染渐渐成为了对我们生态环境和生命安全不容忽视的威胁，受污染水体中的污染物种类繁多、分布广泛，且由于部分浓度极低而难被生物降解的微污染物、以及性质非常稳定的有机物的存在，现有常规水处理工艺无法将它们有效且高效地去除，这些污染物最终排入自然水体，将引发严重的环境问题，甚至对人体健康造成伤害。目前，针对受污染水体常用的深度处理技术主要有高级氧化法、生物法、膜处理技术和吸附法四大类及其组合工艺。由于水体中存在的部分有机污染物浓度极低，生物降解过程往往遵循一级反应速率，因此对其降解效率也较低；膜技术存在能耗高、成本高，且膜污染问题尚待解决的缺点；吸附剂的生成和活化需要较高能耗，且部分污染物与吸附剂之间的亲和力很弱，可能导致吸附速率低、去除率低；高级氧化技术以产生具有强氧化能力的自由基(·OH、SO₄^·-、O₂^·-等)为主要特点，如当有催化剂存在时，臭氧和过氧化氢能被快速地分解并产生氧化能力更强的·OH(2.80V)，过硫酸盐可产生SO₄^·-作为活性物种降解污染物，氧化还原能力较高，理论上可以降解大多数有机物，因此高级氧化技术在受污染水体处理应用中具有独特的优势和良好的应用前景。

碳材料作为催化剂用于催化氧化已经得到了相当广泛的应用，但普遍使用的碳材料用于催化氧化处理受污染水体时存在反应速率慢，所需投量较大和处理效果较差的缺陷。目前研究显示，原位杂原子掺杂(如氮、氧、硼、硫或磷掺杂)可通过改变元素构成从而对碳材料进行功能化修饰，其中氮掺杂碳材料由于氮原子的引入，多出的一个孤对电子将显著增强原材料的电子转移能力和化学活性，目前其在电催化中应用已经较为广泛，而在催化氧化中由于其催化活性高、不存在金属离子溶出、过程简单成本较低的优点，在催化氧化处理受污染水体方面的研究也在逐渐深入；而对氮掺杂后的碳材料进一步进行金属活性组分掺杂，可以将金属活性组分与氮掺杂碳催化材料优良的催化性能有机结合，从而进一步强化氮掺杂碳催化剂的催化性能，提高催化反应速率，大大加强降解效果，使金属复合碳催化剂在催化氧化处理受污染水体中发挥更大的作用。碳材料中碳微球具有较大的比表面积、孔体积以及较高的稳定性，具有较大的应用价值和发展潜力，因此选择对碳微球进行原位氮掺杂以及金属掺杂改性来解决现有碳材料催化剂用于催化氧化处理受污染水体存在的问题。

发明内容

本发明的目的是要解决现有制备方法的碳材料用于催化氧化处理受污染水体时存在的催化速率较慢，投量大和处理效果差的问题，而提供一种金属复合原位氮掺杂碳微球催化剂及其处理受污染水体的方法。

一种金属复合原位氮掺杂碳微球催化剂的制备方法，是按以下步骤完成的：

一、制备原位氮掺杂碳微球：将含氮有机聚合物单体和模板剂加入到醇溶液中，得到的混合反应液；将混合反应液在搅拌速度为30r/min～100r/min下搅拌反应30h～45h，得到粒径为100nm～800nm的含氮有机聚合物微球；将含氮有机聚合物微球置于保护气氛加热设备中，在保护气体气氛下进行高温碳化，得到原位氮掺杂碳微球；

步骤一中所述的混合反应液中含氮有机聚合物单体的浓度为1g/L～20g/L；

步骤一中所述的模板剂为氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和四乙氧基硅烷中的任意一种；