CN105642298A - 还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了属于材料制备及环境技术领域的一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料及其制备方法和应用。所述的制备方法将铁盐、铈盐与氧化石墨烯采用共沉淀法,合成还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料。该制备方法的合成工艺简单、设备要求低、成本低;合成的还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料,用于处理废水中难生物降解的有害污染物,反应高效快速,经济可行,且无二次污染,在处理废水中难生物降解有害污染物领域有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料制备及环境技术领域,具体涉及一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料及其制备方法和在废水中有害污染物处理中的应用。
背景技术
随着全球人口的增长,水资源日益成为影响人类发展的重要制约因素,水体中已经检测出种类繁多的微量乃至痕量的有毒有机污染物,例如,药品与个人护理用品(PPCPs),内分泌干扰物(EDCs)等。这些污染物具有较强的生物活性,并且生物降解缓慢,可能给人类健康带来潜在危险。
随着水资源的紧缺,废水的回收利用逐渐受到重视,这就要求将废水中微量乃至痕量的有毒有机污染物去除。污水处理厂采用的一些传统方法(混凝-絮凝、污泥吸附、生物转化等)很难降解这类有毒污染物。因此,水中微量/痕量有毒有机污染物的处理显得尤为重要。
高级氧化法通过将化学氧化剂(O3、H2O2、过渡态金属等)与辅助能量(紫外线、电流、射线等)的结合,形成大量的羟基自由基,用于氧化分解有机污染物。其中,芬顿反应具有廉价、效果好等优点,针对应用该反应去除水中有机污染物的研究不断增多。
研究表明,传统的均相芬顿反应催化剂,适用pH范围窄,Fe2+在溶液中较难除去,且Fe2+/3+易与中间产物形成络合物沉淀,因此,研究类芬顿反应的非均相催化剂材料逐渐成为主流。目前,主要以Fe0及Fe3O4、Fe2O3、FeOOH为基础,进行相关的材料改性。例如,SiO2-Fe、沸石-Fe、RGO-Fe3O4,皂石-Fe、蒙脱石-Fe、CeO2掺杂Fe等,它们具有良好的催化效果,能够降解大部分污染物,有效增强污染物的可生化性。
但是,利用还原性石墨烯负载零价铈(Ce0)掺杂纳米零价铁(Fe0),作为类芬顿反应的催化剂,目前尚未见报道。还原性石墨烯具有独特的优势,首先,它是一种单层结构,碳原子之间通过π-π键结合,并且拥有较大的比表面积,使得它吸附性能好,可以使污染物在催化剂表面迅速富集并参与反应;其次,它比氧化石墨烯拥有更少的含氧官能团,因此在化学反应中更稳定;最后,还原性石墨烯能为催化剂提供载体,起到分散与支撑催化剂的作用。零价铁(Fe0)具有一定的比表面积,电负性很大,具有还原能力,电极电位E0(Fe2+/Fe)=-0.44V,因而,零价铁可以被氧化为Fe2+。Fe2+也具有还原性,E0(Fe3+/Fe2+)=0.771V,Fe2+可进一步被水中的氧化剂氧化,形成Fe3+,产生羟基自由基(HO·)。零价铈(Ce0)有储氧和释氧的功能,可提高催化剂的效率。将Ce0作为催化剂Fe0的助剂,通过与过渡金属之间的协同作用,进一步提高催化剂的活性。催化剂分散在还原性石墨烯上,可以增加催化剂的稳定性以及与催化剂反应的接触面积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料及其制备方法和应用。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法,所述复合材料中还原性石墨烯上负载的纳米Fe0和Ce0的负载比为(10:1)-(20:1),采用铁盐、铈盐与氧化石墨烯共沉淀法,合成还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料。
所述的一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法的具体步骤如下:
(1)将氧化石墨烯分散在去离子水中超声1.5-2.5h,超声功率在300W以上,然后加入Ce(NO3)3·6H2O、FeSO4·7H2O,形成混合溶液,最后在氩气气氛保护下机械搅拌1-1.5h,使混合溶液处于无氧状态;
(2)在混合溶液中加入KBH4溶液进行反应,反应的温度为21±1℃,反应时间为60-120min,反应过程中持续鼓入氩气,使反应在无氧状态下进行;反应后生成的纳米Ce0与纳米Fe0负载到还原石墨烯上,形成沉淀;
反应原理为:Fe(H2O)6 2++2BH4 -→Fe0↓+2B(OH)3+7H2↑
Ce(NO3)4+4NaBH4+12H2O=Ce0↓+4NaNO3+4B(OH)3+14H2↑
石墨烯与鼓气产生的微小气泡,可作为铁原子和铈原子的附着核,防止纳米粒子的团聚;
(3)将生成的沉淀洗涤并真空干燥后获得还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料;所述还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料中的Fe0和Ce0的负载比为10:1-20:1。
步骤(1)加入的Ce(NO3)3·6H2O、FeSO4·7H2O与氧化石墨烯的物质的量比为1:20:2.5-1:10:1.25。
步骤(2)中所述加入的KBH4溶液与铁铈离子混合溶液的体积比为1:1-2.5:1,浓度比为5:1-8:1。
步骤(2)中所述反应的容器为四口圆底烧瓶。
步骤(3)中所述沉淀采用去离子水和无水乙醇各洗涤一遍。
所述制备方法制备的还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料在废水中有害污染物处理中的应用。
所述应用以还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料为催化剂,在H2O2存在下与废水中有害污染物反应,进而将有害污染物去除。
反应的原理为:纳米零价铁在水中易于腐蚀,反应方程式为(1):
Fe+2H2O→Fe2++H2+2OH-(1)
当水中存在溶解氧和双氧水时,发生反应(2-5):
2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4OH-(2)
Fe0+H2O2+2H+→Fe2++H2O(3)
Fe2++H2O2→Fe3++HO-+·HO(4)
Fe3++H2O2→Fe2++HO-+HO2·(5)
Ce的加入,使催化剂表面吸附的氧含量增加,可以促进产生大量的活性自由基,反应方程式为(6-9):
Ce3++O2→Ce4++·O2 -(6)
·O2 -+H+→2·OH(7)
Ce3++H2O2+H+→Ce4++·OH+H2O(9)
Ce4+易于捕获电子形成Ce3+,而Ce4+/Ce3+还原反应的电位为1.84V,能促进Fe3+被还原为Fe2+,从而提高了纳米零价铁的催化活性,反应方程式为(10-11):
Ce4++e-→Ce3+(10)
Ce3++Fe3+→Ce4++Fe2+(11)
所述废水的pH值为2-8,废水中有害污染物的初始浓度为1-30mg/L;
所述还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的用量为0.5-1g/L。
本发明的有益效果为:所述制备方法的合成工艺简单、设备要求低、成本低;合成的还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料,用于处理废水中难生物降解的有害污染物,反应高效快速,经济可行,且无二次污染,在处理废水中难生物降解有害污染物领域有着广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述,但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明以磺胺类抗生素药物磺胺二甲嘧啶为代表性污染物,以还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料为催化剂,通过类芬顿反应去除废水中难生物降解的有害污染物。
实施例1:还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备
取0.056g氧化石墨烯分散在100mL去离子水中超声2h,超声功率在300W以上,加入到四口圆底烧瓶中;然后加入浓度为0.02M的FeSO4·7H2O和0.001MCe(NO3)3·6H2O溶液100mL,形成混合溶液,然后在氩气气氛保护下机械搅拌1h,使混合溶液处于无氧状态;
将浓度为0.2M的KBH4溶液100mL通过调节阀滴入四口圆底烧瓶中进行反应,反应的温度为21℃,反应时间为60min,反应过程中持续鼓入氩气,使反应在无氧状态下进行;反应后生成的纳米Ce0与纳米Fe0负载到还原石墨烯上,形成沉淀;氧化石墨烯与鼓气产生的微小气泡可作为铁原子的附着核,并防止纳米粒子的团聚,保持搅拌使溶液处于均匀混合状态;
将生成的沉淀用去离子水和无水乙醇各洗涤一遍,真空干燥后获得Fe0和Ce0负载比为20:1-10:1的还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料。
实施例2:
以还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料为催化剂,处理含有磺胺二甲嘧啶的废水。以100mL血清瓶为反应器,废水中磺胺二甲嘧啶的初始浓度为20mg/L,pH通过0.1M盐酸由8.3调节到8后,加入0.5g/L的还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料;然后将反应器置于恒温振荡器中,恒温振荡器的转速为150rpm,温度为25℃。
检测方法:磺胺二甲嘧啶的浓度采用高效液相色谱仪(Agilent1200Series,Agilent,USA)测定;TOC(总有机碳)采用总有机碳分析仪(MultiN/C2100TOC/TN,Jena,Germany)测定。
测定结果为:采用还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料处理磺胺二甲嘧啶废水,振荡5min后,废水中的磺胺二甲嘧啶的含量达到稳定,吸附率为32%;然后加入10μLH2O2反应1min后,磺胺二甲嘧啶的去除率及TOC去除率分别为77%和30%。
实施例3:
以还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料为催化剂,处理磺胺二甲嘧啶废水。废水中磺胺二甲嘧啶的初始浓度为20mg/L,pH调节至8后,加入0.5g/L还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料,将反应器置于恒温震荡器中反应,恒温震荡器的转速为150rpm,温度为35℃。
结果显示,采用还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料处理磺胺二甲嘧啶废水,振荡5min后,废水中磺胺二甲嘧啶达到稳定,吸附率为30%;加入10μLH2O2反应1min后,磺胺二甲嘧啶的去除率及TOC去除率分别为82%和43%。
实施例4:
采用还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料为催化剂处理磺胺二甲嘧啶废水。废水中磺胺二甲嘧啶的初始浓度为20mg/L,pH调节至7后,加入0.5g/L还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料,将反应器置于恒温振荡器中,恒温振荡器的转速为150rpm,温度为25℃。
结果显示,采用还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料能快速有效去除废水中的磺胺二甲嘧啶,振荡5min后,废水中磺胺二甲嘧啶达到稳定,吸附率为36%,加入10μLH2O2反应1min后,磺胺二甲嘧啶的去除率高达100%,TOC去除率为70%。
对照组以零价铁Fe0为催化剂中,废水中的磺胺二甲嘧啶在振荡5min后达到稳定,吸附率为4%;加入10μLH2O2反应1min后,废水中的磺胺二甲嘧啶在的去除率分别为63%和30%。
实施例5:
采用还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料为催化剂处理磺胺二甲嘧啶废水。废水中磺胺二甲嘧啶的初始浓度为1mg/L,pH调节至6后,加入0.5g/L还原性石墨烯负载Ce0/Fe0复合材料,将反应器置于恒温振荡器中,恒温振荡器的转速为150rpm,温度为25℃。
结果显示,采用还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料能快速有效去除废水中的磺胺二甲嘧啶,振荡5min后,废水中的磺胺二甲嘧啶达到稳定,吸附率为100%;加入10μLH2O2反应1min后,磺胺二甲嘧啶的去除率高达100%,TOC去除率为100%。
实施例6
采用还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料为催化剂处理磺胺二甲嘧啶废水。废水中磺胺二甲嘧啶的初始浓度为20mg/L,pH调节至8后,加入0.3g/L还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料,将反应器置于恒温振荡器中,恒温振荡器的转速为150rpm,温度为25℃。
结果显示,采用还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料能快速有效去除废水中的磺胺二甲嘧啶,振荡5min后,废水中的磺胺二甲嘧啶达到稳定,吸附率22%,加入10μLH2O2反应1min后,废水中的磺胺二甲嘧啶的去除率为48%,TOC的去除率为20%。
对照组以零价铁Fe0为催化剂中,废水中的磺胺二甲嘧啶在振荡5min后达到稳定,吸附率为4%;加入10μLH2O2反应1min后,废水中的磺胺二甲嘧啶在的去除率分别为10%。
上述实施例表明,本发明制备的还原性石墨烯负载纳米Ce0掺杂Fe0复合材料能有效去除水中难生物降解有毒有害类有机物,无需添加其他试剂,降低了能耗,有着广阔的市场开发前景。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员,在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法,所述复合材料中还原性石墨烯上负载的纳米Fe0和Ce0的负载比为(10:1)-(20:1),其特征在于,采用铁盐、铈盐与氧化石墨烯共沉淀法,合成还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)将氧化石墨烯分散在去离子水中超声1.5-2.5h,超声功率在300W以上,然后加入Ce(NO3)3·6H2O、FeSO4·7H2O,形成混合溶液,最后在氩气气氛保护下机械搅拌1-1.5h,使混合溶液处于无氧状态;
(2)在混合溶液中加入KBH4溶液进行反应,反应的温度为21±1℃,反应时间为60-120min,反应过程中持续鼓入氩气,使反应在无氧状态下进行;反应后生成的纳米Ce0与纳米Fe0负载到还原石墨烯上,形成沉淀;
(3)将生成的沉淀洗涤并真空干燥后获得还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)加入的Ce(NO3)3·6H2O、FeSO4·7H2O与氧化石墨烯的物质的量比为(1:20:2.5)-(1:10:1.25)。
4.根据权利要求2所述的一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述加入的KBH4溶液与混合溶液的体积比为(1:1)-(2.5:1),浓度比为(5:1)-(8:1)。
5.根据权利要求2所述的一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述反应的容器为四口圆底烧瓶。
6.权利要求1-5任一项所述方法制备得到的还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料。
7.权利要求6所述的还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料在废水中有害污染物处理中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,以还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料为催化剂,在H2O2存在下与废水中的有害污染物反应,进而将有害污染物去除。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述反应的pH值为2-8。
10.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述废水中有害污染物的初始浓度为1-30mg/L,还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的用量为0.5-1g/L。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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