[发明专利]一种氮硫磷共掺杂的有序多孔生物炭及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮硫磷共掺杂的有序多孔生物炭及其制备方法和应用，该有序多孔生物炭中掺杂有氮、硫和磷，其中氮的原子百分数为7.1％～8.7％，硫的原子百分数为0.4％～1.0％，磷的原子百分数为0.1％～1.0％。本发明氮硫磷共掺杂的有序多孔生物炭具有有序多层级孔结构、比表面积大、表面含氧官能团丰富、石墨化程度高、催化能力强、绿色环保等优点，可作为活化剂用于活化过硫酸盐，从而能够通过有效激活过硫酸盐实现对水体中有机污染物的有效去除，可广泛用于去除水体中的有机物污染物，使用价值高，应用前景好。同时，其制备方法具有工艺简单、操作方便、成本低廉等优点，适合于大规模制备，利于工业化应用。

技术领域

本发明属于材料技术领域和有机污染物处理领域，涉及一种改性有序多孔生物炭及其制备方法和应用，具体涉及一种氮硫磷共掺杂的有序多孔生物炭及其制备方法和活化过硫酸盐降解有机污染物的应用。

背景技术

随着现代社会工农业和城市经济的高速发展，大量有机污染物随着工业废水和生活污水的排放进入污水处理厂，极大增加了污水处理厂的处理负荷。另外，有一些有机污染物则通过农业生产中使用的农药、化肥等途径，随着雨水或地表径流在自然水体环境中迁移、富集，由此对自然水生态环境造成了巨大威胁。以2,4-二氯苯酚为例。2,4-二氯苯酚是一种重要的有机化工中间产品，主要用于有机合成。在农药工业上，主要用于生产杀虫剂酚线磷与除草剂噁草酮、甲酯除草醚、2,4-二氯苯氧系列酸及其酯；在医药工业上，用于生产驱虫药硫双氯酚；在助剂工业上，用于生产防霉剂TCS。然而，2,4-二氯苯酚是一种细胞原浆毒物，其毒性作用是与细胞原浆中蛋白质反生化学反应，形成变性蛋白，使细胞失去活性。2,4-二氯苯酚可侵犯神经中枢，刺激脊髓，进而导致全身中毒症状。2,4-二氯苯酚可经皮肤的接触，呼吸道吸入和经口进入消化道等多种途径进入体内。2,4-二氯苯酚在通常条件下，不易被氧化，难于水解。2,4-二氯苯酚的水溶性增加了它的流动性，是其较容易通过土壤层渗透进入地下水，造成地下水污染。而且，2,4-二氯苯酚有蓄积作用，它在生物中富集浓度远远超过它在水中的浓度。

基于上述危害，含有机污染物(如2,4-二氯酚)的废水以及被污染的自然水体的处理是目前水处理技术上面临的亟需处理的难题。常用的处理方法有吸附法、膜分离法、普通氧化法、生物法等，但是这些方法具有工艺流程复杂、设备要求高、成本高、破坏微环境、处理效率较低等缺点。基于过硫酸盐的高级氧化方法是一种处理效率高、去除彻底、成本低、操作便捷、pH耐受性高的水处理方法。已有大量研究表明过硫酸盐高级氧化技术能高效去除各种难降解有机物，如挥发性有机物、内分泌干扰物、药物及个人护理产物和全氟化物等。在此体系中，过硫酸盐作为氧化剂，在催化剂的催化作用下被激活生成高活性的氧化自由基或中间活性物质，从而进一步攻击并降解目标污染物。现今，由于其高效的催化活性，金属基催化剂被广泛用于过硫酸盐的激活，但其应用受限于存在的重金属溶出导致的二次污染等问题。碳基材料是正在发展中的另一类具有应用潜力的绿色催化剂材料，目前为止，还原氧化石墨烯、碳纳米管、纳米金刚石和介孔碳等碳基材料都被证明能有效的激活过硫酸盐，但其较高昂的制备成本仍然限制了其广泛应用。

生物炭材料由于生物质来源广、制备简单，显示出应用潜力，但是目前制备出来的生物炭材料，在过硫酸盐高级氧化体系中，展现的催化能力仍然较弱，这严重限制了生物炭材料的广泛应用。因此，开发一种具有有序多层级孔结构、比表面积大、表面含氧官能团丰富、石墨化程度高、催化能力强的新型生物炭材料，对于提高过硫酸盐高级氧化体系处理有机污染物特别是2,4-二氯苯酚的处理效果具有十分重要意义。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有有序多层级孔结构、比表面积大、表面含氧官能团丰富、石墨化程度高、催化能力强的氮硫磷共掺杂的有序多孔生物炭，还提供了一种制备方法简单、操作容易、成本低的氮硫磷共掺杂的有序多孔生物炭的制备方法以及该氮硫磷共掺杂的有序多孔生物炭在活化过硫酸盐去除水体中有机污染物中的应用，通过利用氮硫磷共掺杂的有序多孔生物炭活化过硫酸盐去除水体中有机污染物，具有吸附协同催化能力强、降解效率高、降解效率快、pH耐受性高等优点，对于高效、彻底的去除水体中的有机污染物具有十分重要的意义。