[发明专利]活化过硫酸盐的非金属组合物及其制备方法和应用

说明书

活化过硫酸盐的非金属组合物及其制备方法和应用，将活性炭、硫粉和球磨球加入到氧化锆球磨罐中，球磨结束后自然冷却至室温，过筛分离得到微纳尺寸的硫掺杂碳材料，所述微纳尺寸的硫掺杂碳材料的尺寸为200‑600 nm，孔容为0.023 cm³/g，平均孔径为1.62 nm，比表面积为12.19 m²/g。本发明制备出的硫掺杂碳材料组合物具有微纳米结构、催化性能优异，克服了传统金属依赖的Fenton反应过程中适用pH范围窄、Fe泥产量大和效率低等限制，在有机污染废水和土壤修复方面均具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于有机污染废水处理技术领域，具体涉及一种活化过硫酸盐的非金属组合物及其制备方法和应用。

技术背景

单过硫酸盐（PMS）可被金属氧化物、过渡金属等活化产生高活性的硫酸根自由基（SO₄^•-，2.5-3.1 V)和羟基自由基（HO^•，2.8 V），在高效降解有机污染物方面具有突出优势，基于PMS的催化氧化技术得到了学界的广泛关注。然而，金属离子溶出、适用pH范围窄等限制，给实际应用带来诸多挑战。同时，非金属催化剂的环境友好性引起了广泛关注。由于比表面积大、不含金属等特性，碳基材料比如碳纳米管（CNTs）和还原氧化石墨烯（RGO）等活化过硫酸盐已有报道。在此基础上，修饰碳材料，如杂原子掺杂，可有效调控碳材料的结构和电子特性等，满足更多的需求。最近取得巨大进步的氮掺杂碳材料，其在催化领域有着优异的表现。杂原子掺杂碳材料催化剂的优异性能，吸引学者不断扩大掺杂谱，如硫（S）、磷（P）等杂原子。利用杂原子修饰碳材料，即将N、S等杂原子引入碳的骨架中。其中，N和C接近的原子半径，令N取代碳晶格中的碳原子相对容易，使得N被选择对碳材料进行掺杂，结果较为理想。和N不同，S比C原子的半径大很多，将S掺杂进入碳的骨架中较为困难，硫掺杂碳材料指示了碳材料领域的新兴方向，研究工作也相对较少。各种杂原子的掺杂方式对碳材料性能的影响同样引起了学者的研究兴趣。迄今，学者发展了多种方法，比如等离子体法、水热法和球磨法等。球磨法由于其高产品率、操作简单、绿色环保和易于规模化广受研究者青睐。球磨时，将杂原子和碳基材料进行球磨，高速运转的球磨球机械地将固体颗粒尺寸减小，产生表面缺陷，生成新的官能团，这些缺陷和官能团被认为是PMS的活化位点。

在能源危机和环境污染的当今社会，“能源”成为国家间竞争的热点。CNTs、RGO等制备工艺复杂、价格高昂等原因不适合大规模生产以及推广应用。因此，亟需开发环境友好、高效低廉的单过硫酸盐催化剂。

发明内容

解决的技术问题：本发明针对传统基于金属活化过硫酸盐处理有机污染物工艺操作复杂、造价高昂等技术瓶颈，活化过硫酸盐的非金属组合物及其制备方法和应用，选取活性炭和硫粉为原料，利用球磨工艺制备出了微纳尺寸硫掺杂碳材料（nSACx，其中x为初始硫投加含量，单位为mmol），其能够高效活化单过硫酸盐（PMS）降解废水中多种有机污染物，包括邻苯二甲酸二乙酯、磺胺甲氧嘧啶、双酚A和苯酚等污染物。球磨工艺简单环保、易于大规模生产应用；所选原材料为活性炭和硫粉，均价格低廉、储量丰富、环境友好；制备出的硫掺杂碳材料具有微纳米结构，可以提供更大的比表面积和更优异的催化性能；nSACx/PMS体系具有宽pH适用范围、高降解效率等优点，以上特点均为新兴碳材料引发新的思路和方向。