[发明专利]一种实现市政污泥升级转化为高性能单原子催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种实现市政污泥升级转化为高性能单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1)将市政污泥干燥、粉碎，得到制备单原子催化剂的前驱体；S2)将所述前驱体进行热解，得到黑色碳基材料；S3)将所述黑色碳基材料湿法球磨后，用酸溶液刻蚀进行化学活化，得到高性能单原子催化剂。与现有技术相比，本发明利用城市污水处理厂产生的污泥废弃物为原料制备金属单原子催化剂，将其用于催化活化过硫酸盐(PS)去除水中的污染物，具有去除效率高、同步降低水中TOC、选择性高和抗多种离子和腐殖酸干扰的特点；并且本发明制备方法简单、易于放大生产，可以实现市政污泥中碳、硅、营养元素、硫和多种低含量重金属元素等的同步升级资源化。

技术领域

本发明属于污泥处理与处置技术领域，尤其涉及一种实现市政污泥升级转化为高性能单原子催化剂的制备方法和应用。

背景技术

生物法水处理技术是世界范围内污废水处理的主流工艺，然而，这一过程伴随着大量高环境风险的污泥废弃物的产生。仅在中国，市政污泥年产量已经超过8000万吨(2021年，以含水率80％的脱水污泥计)，并以10.7％的年平均增长率高速增长。同时，污泥物质组成非常复杂，既有C、N、P等资源性物质，也含有重金属、难降解有机污染物(包括抗生素、激素、致癌物等)、病原体、微塑料等高风险成分。因此，处理污泥废物是世界范围内的强制性要求，但由于污泥的产量大、复杂性和危害性等特点，使得这一过程伴随着高昂的成本和环境排放。目前，污泥处理与处置已经成为污水处理领域的一个世界性难题，实现污泥减量化、无害化、资源化和综合利用是其发展趋势，也是解决这一问题的根本出路。

迄今为止已经开发出了许多污泥处置与资源化的技术。传统的填埋和农业利用是两种最经济的方法，但存在场地减少和环境风险的问题。焚烧则需要消耗大量的能量，同时会产生大量有害物质的排放(氮氧化物、二恶英、重金属等)；焚烧后资源化利用(如建材利用)也是一个重要的方向，但同样面临公众健康威胁的风险。总的来说，目前众多资源化的手段大多只利用了污泥中的碳，对于其中低含量的重金属和N、S、P等往往无能为力，且重金属等有害物质又极大限制了传统资源化技术的应用，因此，如何实现这些低含量元素的同步资源化变得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种实现市政污泥升级转化为高性能单原子催化剂的制备方法和应用，该制备方法可实现污泥废弃物中多种元素，特别是C、N、P、S等资源性物质和高环境健康风险的低含量重金属等同步资源化的方法，并实现其升级再造，以产生更大的经济、社会和环境效益。

本发明提供了一种实现市政污泥升级转化为高性能单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1)将市政污泥干燥、粉碎，得到制备单原子催化剂的前驱体；

S2)将所述前驱体进行热解，得到黑色碳基材料；

S3)将所述黑色碳基材料湿法球磨后，用酸溶液刻蚀进行化学活化，得到高性能单原子催化剂。

优选的，所述干燥为烘干或自然风干；所述烘干的温度为60℃～105℃；粉碎后过10～20目筛。

优选的，所述热解的温度为400℃～900℃；所述热解的时间为1～5h。

优选的，所述湿法球磨的溶剂为水和/或乙醇；所述湿法球磨的转速为300～520转/分钟；所述湿法球磨的球料比为3：1～1：3。

优选的，所述酸溶液的浓度为0.5～6mol/L；所述化学活化的时间为0.5～60h；所述酸溶液选自盐酸、硫酸或氢氟酸。

本发明还提供了上述制备方法所制备的高性能单原子催化剂。

本发明还提供了上述制备方法所制备的高性能单原子催化剂在活化过硫酸盐去除水中污染物中的应用。

优选的，所述高性能单原子催化剂与过硫酸盐的比例为0.2g：(0.2～1)mmol。