[发明专利]硼氧共掺杂氮化碳非金属臭氧催化剂的应用

说明书

本发明特别涉及硼氧共掺杂氮化碳非金属臭氧催化剂的应用，属于污水处理技术领域，利用杂原子B和O的共掺杂可以通过改变sp²杂化碳的电荷或自旋分布，修饰催化剂表面化学性质，创建新的活性位点，提高催化剂活性；BOCN有较高的化学稳定性和热稳定性、原材料易得、容易制备、无毒性，无金属离子溶出，不会造成环境二次污染；同时其分散性好，稳定性好，重复利用三次后仍然保持较高催化活性，在不同pH和不同水质下，均能够取得较好的催化效果，且催化剂投加量小，重复利用性能稳定，BOCN可作为一种高效绿色环保的臭氧催化剂应用于城市生活污水、地表水和工业回用水的深度处理过程。

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，特别涉及硼氧共掺杂氮化碳非金属臭氧催化剂的应用。

背景技术

随着世界人口的高速膨胀、社会经济与技术的飞速发展，新兴污染物药品和个人护理品由于与人类生活紧密相关而更加广泛被使用。由于缺乏对新兴污染物的排放控制标准和成熟处理工艺，因此被持续排入水体、土壤等环境介质，从而进入城市、自然水循环当中。通过饮用水、食物链等多种途径进入人体并在其中积累放大，对人类健康造成了潜在的威胁。碘化x射线造影剂是一类具有高水溶性的含碘的药品，可增强脏器与周围组织的对比度，广泛用于医学影像诊断。据统计，碘化造影剂的全球消费量每年可达3.6×10⁶公斤左右，目前已经在河流、小溪、地下水和污水处理厂的废水中被广泛检测到。碘帕醇(IPM)是检测最多的碘化造影剂之一，其在污水处理厂的出水中的浓度可达15μg/L，在饮用水中的浓度可高达2.7μg/L。IPM在环境中持续不断地积累，有可能发生不完全转化；而在水净化过程中，更具有生成碘代消毒副产物的潜在风险，与氯代、溴代副产物相比，具有更高的基因毒性和细胞毒性。

臭氧具有氧化能力强，反应速度快、不产生污泥和无二次污染、能提高废水的可生化性等优点。但在单独臭氧氧化中，由于臭氧在水中的传质效率不高，利用效率相对较低，增加了臭氧的应用成本。另一方面，臭氧对污染物的降解具有选择性，对于某些化合物及其中间体的氧化能力较低，导致其矿化效率非常有限。非均相催化臭氧氧化技术是利用固态催化剂在常温常压下加速臭氧分解产生羟基自由基等高活性中间产物的过程，同时也不会产生大量的二次污染物等优势，且对难降解有机物具有较好的降解与矿化能力。与单独臭氧化技术相比较而言，催化臭氧氧化技术的反应速率更快、去除率更高。因此，固体催化剂非均相臭氧氧化具有高效利用臭氧和活性自由基高氧化能力的优点，在难降解化工废水等领域具有广阔的应用前景，是一种很有前途的高级氧化工艺。通常，催化剂表面的羟基基团和键合的羟基离子可以加速臭氧的分解，导致羟基自由基的形成或者形成表面络合物，随后发生分子内电子转移，从而促进污染物的降解。最近几十年来，一般是金属氧化物，羟基金属氧化物、浮石和一些新型材料如活性炭被广泛用作催化剂增强催化臭氧。但是，金属离子溶出是普遍的问题，由于金属离子的溶出会造成二次污染及催化剂循环重用后性能下降，导致臭氧催化氧化工艺的复杂化，水处理成本高，限制该技术的大规模应用。

非均相催化臭氧氧化是强化臭氧氧化去除难降解有机物的有效手段，加入催化剂可以大大提高难降解污染物的去除率，如氯苯、氯酚、天然有机物等。目前对非均相催化氧化体系的研究多以金属氧化物(如TiO₂，FeOOH，CeO₂，Al₂O₃和MnO₂)及负载于载体(如CeO₂，Al₂O₃，TiO₂，SiO₂和活性炭等)上的金属(如Ce、Cu，Ru，Pt，Co)或金属氧化物为催化剂。用于臭氧催化氧化的活性成分主要是过渡金属和贵金属，二者均可提供类似“通道”的作用，降低反应活化能，提高催化效率。但是在反应过程中会有金属离子的溶出，会造成环境二次污染，催化剂循环重用后性能下降，增加运行成本。

因此，为了规避金属基催化剂的金属离子溶出，弥补其缺陷，提高水处理效率，降低水处理成本，研发新型高效的催化剂受到高度重视。