[发明专利]一种铁-氮共掺杂的纳米碳复合催化剂、制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种铁‑氮共掺杂的纳米碳复合催化剂、制备方法及应用。本发明的复合催化剂是以沼渣为模板负载Fe²⁺，与N掺杂物共混后经过高温煅烧制备出Fe‑N@NCs。经验证，N掺杂物在煅烧的过程中会使Fe活性组分均匀分散和固定，在实现Fe、N对纳米碳的共掺杂的同时，保证Fe基纳米颗粒均匀分散在多孔碳材料的孔隙内。所得复合催化剂可以用作过硫酸盐(PS)的高效活化剂、以较少的PS用量催化降解土壤中的高浓度石油烃，实现石油污染土壤的高效、绿色治理。本发明使用的沼渣来源广泛，制备方法简单可行，制成的催化剂催化活性高、生物相容性强，对土壤石油烃降解效果显著，实现了以废治废，在实际生产应用中具有广阔的前景。

技术领域

本发明属于石油污染土壤处理技术领域，涉及一种铁-氮共掺杂的纳米碳复合催化剂、所述复合催化剂的制备方法及其作为过硫酸盐活化剂的应用，具体涉及在石油污染土壤修复领域的应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着工业的发展，石油及相关产品得到了广泛的应用。作为一种重要的工业原料和燃料，石油通常被称为工业的血液，具有非常重要的地位。目前，在过去的两个世纪里，全世界对石油的需求已达到每天近11万桶，而且这种需求正在逐渐增加，预计到2030年，石油使用量将达到世界能源的32％。然而，由于运输或储存过程中的意外泄漏、不当的开采和提炼加工方法等原因，原油会进入土壤，当超过土壤的自净能力时，就会发生土壤石油污染。总石油烃(TPHs)是一种含有烷烃、芳香烃、树脂、沥青等的复杂混合物，这些污染物通过一系列的物理化学过程进入土壤并分散在土壤环境中，如吸附在土壤颗粒表面或土壤有机物中，进入土壤微孔结构，通过渗透进入地下水，通过挥发进入大气等。这不仅会对环境介质产生深远的影响，也会对周围的人类健康产生影响。因此，石油污染土壤的修复是一个亟待解决的问题。

过硫酸盐(PS)因其容易在土壤中迁移，而且PS水解电离产生的S₂O₈^2-(E⁰＝2.01V)在土壤中具有高度稳定性和强氧化性，使得PS高级氧化技术在石油烃污染土壤修复领域的应用越来越广泛。PS作为原位化学氧化的氧化剂，需要激活来实现修复。目前报道的研究中多使用零价铁或铁基催化剂来活化PS，这些活化剂活化效率低，需要较高的PS剂量(8％-23.8％(1M))才能实现较高的石油烃降解率，这会对土壤微生物活性和理化性质产生不利影响。

生物质炭化技术是新兴的一种处理固体废弃物的热处理技术，主要通过无氧条件热转化有机物形成炭化的异质材料，生物炭具有比表面积大、吸附性能好等优点，故而以生物炭作为金属离子的载体，可以在一定程度上减少金属离子的溶出，提高其稳定性，然而金属颗粒总是容易发生团聚而影响其活化性能。因此，有必要开发一种能均匀分散金属且能高效活化PS的催化剂，以较少PS用量实现对石油烃污染土壤的高效降解。此外，随着我国沼气工程迅猛发展，沼渣作为沼气厌氧消化的固体残余物，其内含有大量的有机物、氮、磷和病原微生物等，如果得不到合理充分的处置，极易造成二次污染和资源浪费。因此，如何实现沼渣的资源化利用成为广大学者密切关注的问题。因此，如果将沼渣用于研制新型、高效的过硫酸盐活化剂，并用于石油污染土壤修复，将实现以废治废，符合可持续发展的理念。

发明内容

基于上述技术背景，本发明目的在于提供一种改良石油污染土壤的催化剂，通过活化过硫酸盐实现石油烃等污染物的降解。现有以亚铁离子作为过渡金属的过氧化体系中，存在金属物质分散不均的缺陷。针对现有技术的不足，本发明提供了一种沼渣基铁-氮共掺杂纳米碳复合催化剂，在沼渣资源利用化的同时实现石油污染土壤中的高效、绿色修复。

基于上述技术效果，本发明提供以下技术方案：

本发明第一方面，提供一种铁-氮共掺杂的纳米碳复合催化剂，所述催化剂包括多孔碳材料和Fe基纳米颗粒，所述Fe基纳米颗粒分散在多孔碳材料的孔隙内。