[发明专利]一种高效稳定的光催化反硝化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高效稳定的光催化反硝化材料及其制备方法，其制备方法主要通过水热法合成二氧化钛超薄纳米片，然后经一步共同化学沉积法合成得到钯铟合金负载于二氧化钛超薄纳米片上的催化材料PIATN。其制备工艺简单，制备流程简便。该方法能够实现光生载流子复合并提升光催化活性，钯铟合金作为硝酸根离子的吸附结合位点能够降低硝酸根在反应过程中的活化势垒，并突破光催化反硝化反应过程中硝酸根‑亚硝酸根转化过程中的限速步骤限制；在反应过程中，钯铟双金属合金化作用保持钯金属催化剂的催化稳定性以及良好的氮气选择性，从而实现了高效、稳定、高氮气选择性光催化还原水中的硝酸盐。

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别是涉及一种高效稳定将水中硝态氮转化为氮气的光催化反硝化材料及其制备方法。

技术背景

随着工业化与城市化快速发展，大量含硝态氮废水进入自然水体，严重威胁水生生态安全以及人类健康，例如水体中氮含量超标引起富营养化从而造成水体动物缺氧死亡，饮用水中氮含量超标而引起高铁血红蛋白症等。因此，水体中硝态氮污染控制十分重要。传统的硝态氮去除方法包括化学还原法、离子交换树脂法、生物反硝化法、电催化法等，但不同程度的低效、高成本、二次污染和副产物难以处理等问题限制了上述方法的广泛应用。

专利申请号为201811650120.0的中国专利公开了一种脱硝药剂及其制备方法，该脱硝药剂由纳米铁、硫化物、焦亚硫酸钠和尿素组成，可与污水中硝酸根发生氧化还原反应去除硝酸锆，效率快，去除率高，达到92％。但是在该脱硝药剂脱氮中，一方面会需要不断消耗化学药剂，成本高且产生沉渣等副产物，另一方面，对氮气选择性低，生成毒性更大的氨氮物质。

专利申请号为201510319457.3的中国专利公开了一种硝酸根选择性离子交换树脂及其制备方法，该专利利用氯甲基化苯乙烯与二乙烯苯共聚物为基体材料，N-乙基吗啉(或N-丁基吗啉)作为胺化试剂合成一种易再生的离子交换树脂，用于吸附去除硝酸根。虽然离子交换树脂能够高效吸附去除水体中硝酸根离子，但是只是实现硝酸根离子的物理转移，产生的高盐高硝态氮的脱附液更加难以处理。

专利申请号为201711117397.2的中国专利公开了一种硅藻土与葡萄籽单宁混合污水处理剂辅助传统生物脱氮的工艺，该工艺通过在传统生物脱氮好氧池中投加硅藻土与葡萄籽单宁组成的混合污水处理剂的方式，截断亚硝酸盐氧化菌获取能源，使亚硝酸盐氧化菌无法正常繁殖，从而将污水中含氮物质维持在亚硝酸盐状态，降低好氧池需氧量同时提高后续缺氧段反硝化速率。然而相比于物化方法，生物处理去除硝态氮速率仍然低效；投加混合处理剂后增加了工艺中污泥量，增加后续污泥处理难度；同时，为了维持缺氧池合适的PH(7-8)，需要不断投加碱维持缺氧池PH,脱氮过程繁复，脱氮条件难以控制。

近年来，光催化反硝化的发展为解决上述方法的不足提供了一条可行途径，具有良好的发展前景。光催化的实质是在光激发条件下，光催化剂产生的“电子-空穴对”与目标物质分别在催化剂价带和导带上发生氧化还原反应。在光催化反硝化处理技术中，以二氧化钛及其复合催化剂为代表的光催化反硝化过程以稳定性好，成本低，无毒害和二次污染等优点在硝态氮污染控制领域得到广泛的关注和发展。然而二氧化钛及其复合光催化剂处理技术还存在以下缺陷：(1)纯二氧化钛光催化还原去除硝态氮效率低、选择性差，易生成浓度较高的亚硝酸根离子、氨氮等副产物；(2)已有二氧化钛催化材料制备过程中没有涉及高能晶面调控，因此二氧化钛的光催化活性并没有得到充分提升；(3)金属-碳基复合催化剂在光致转化效率、催化稳定性、氮气选择性上难以同时具备优良性能。