CN110713237A - 一种高效降解模拟印染废水氮氟双掺杂碳材料的制备方法 - Google Patents

一种高效降解模拟印染废水氮氟双掺杂碳材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效降解模拟印染废水氮氟双掺杂碳材料的制备方法，将生物质、EDTA‑2Na与NH4F置于玻璃研钵中研磨10‑15min使其充分混合均匀得到物料A；将物料A转移至瓷舟中并放置于管式炉中，在惰性N2气体保护下先由室温经过60min升温至300℃保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃保持120min，自然降温至室温得到物料B；再用2mol/L盐酸溶液浸泡酸洗12h；用高纯水将酸洗后的物料B抽滤洗涤2‑3次，于105℃烘箱中干燥12h得到氮氟双掺杂碳材料。本发明制得的氮氟双掺杂碳材料含有大量的微孔和介孔，将其作为阴极材料应用到电芬顿体系中，能够高效降解有机污染物，且在使用的过程中不会造成二次污染，对环境友好，从而达到“以废治污”的目的。

Description

一种高效降解模拟印染废水氮氟双掺杂碳材料的制备方法
技术领域
本发明属于杂原子掺杂多孔碳材料的合成技术领域，具体涉及一种高效降解模拟印染废水氮氟双掺杂碳材料的制备方法。
背景技术
工业生产过程中（如印染等）产生的废水含有大量高毒性、高浓度、难降解的有机污染物，传统的水污染处理方法很难实现有机污染物的高效降解。因此，高级氧化技术（AOPs）应运而生。作为高级氧化技术的一种，电芬顿法以其反应装置简单、能耗小、成本低、无污染及便于控制等优势受到了研究人员越来越多的关注。优化筛选降解效率高的阴极催化材料成为该方法推广应用的关键。
目前，已有的阴极材料如活性炭、石墨烯、炭海绵、石墨毡、网状玻璃体碳等，催化效率低、H2O2生成速率缓慢，而且无法实现对有机污染物的彻底降解。因此，探索廉价易得、高效的碳基催化材料成为该领域的研究热点。通常，我们借助活化剂（KOH、NaOH、H3PO4、MgCl2或ZnCl2等）增加碳材料比表面积以提高碳基催化剂的降解性能。然而，通过单一调控比表面积很难实现阴极反应速率的有效提升，因此，我们尝试引入氮氟杂原子进行双掺杂的方法，通过原子间成键，在碳材料表面上引入新的缺陷位点，继而通过氮氟杂原子的协同作用促进氧气在催化剂表面的反应，使反应过程中原位生成H2O2，为•OH的生成提供了保障，从而达到高效降解模拟印染废水的目的。本发明以废弃的生物质作为碳前驱体，用EDTA-2Na对碳材料进行改性，且引入杂原子F进一步调控所合成材料的表面组成，暴露更多的电化学反应位点，促进氧还原反应的进行，进而提高催化剂在电化学过程中产生H2O2的性能，有效提升该催化材料在电芬顿体系中对有机污染物的降解能力，实现电芬顿法降解有机污染物的工业化应用，从而达到“以废治污”的目的。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单、成本低廉且环境友好的高效降解模拟印染废水氮氟双掺杂碳材料的制备方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种高效降解模拟印染废水氮氟双掺杂碳材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）在玻璃研钵中放入生物质、EDTA-2Na（M）和NH4F，研磨10-15min使其混合均匀得到物料A，其中生物质为牛筋草（N）；
（2）将物料A盛放于瓷舟中，在惰性气体N2保护下放置于管式炉中煅烧，升温程序如下：先由室温经过60min升温至300℃保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃保持120min，然后自然降温至室温得到物料B；
（3）将物料B浸泡于2mol/L的盐酸溶液中酸洗12h以除去物料B中的金属原子；
（4）用高纯水对酸洗后的物料B进行抽滤洗涤，洗涤2-3次，然后放入烧杯中并置于105℃烘箱中干燥12h得到氮氟双掺杂碳材料，该氮氟双掺杂碳材料含有大量的微孔和介孔。
进一步优选，所述生物质、EDTA-2Na与NH4F的投料质量比为1:2:0.5-3。
进一步优选，所述生物质、EDTA-2Na与NH4F的投料质量比为1:2:2。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明使用EDTA-2Na（M）作为制孔剂，因其在高温下分解，释放出大量的小分子气体，进而可以使碳材料产生大量的介孔，使用NH4F引入杂原子，氟原子电负性比较大，影响附近碳原子的电子重排，用于制造缺陷，从而增加碳材料的比表面积和孔体积，得到更多的电化学反应位点，从而提高阴极工作效率，加快H2O2的生成速率。
2、本发明用牛筋草为生物质，在碳前驱体的基础上，通过单一制孔剂活化机理，引入杂原子，不仅提高碳材料的亲水性、导电性，而且暴露了更多的活性位点，进一步增强了所制备碳材料的电化学性能。
3、本发明制得的氮氟双掺杂碳材料含有大量的微孔和介孔，将其作为阴极材料应用到电芬顿体系中，能够高效降解有机污染物，且在使用的过程中不会造成二次污染，对环境友好。
附图说明
图1是实施例4制备的氮氟双掺杂材料的场发射扫描电镜图；
图2是实施例4制备的氮氟双掺杂碳材料的X射线衍射图谱；
图3是实施例4制备的氮氟双掺杂碳材料的红外光谱图；
图4是实施例4制备的氮氟双掺杂碳材料的Raman图谱；
图5是实施例1-6制备的氮氟双掺杂碳材料降解碱性橙2溶液的时间曲线图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）将1g牛筋草粉末置于玻璃研钵中研磨10min使其充分混合均匀得到物料A1；
（2）将物料A1转移至瓷舟中并放置于管式炉中，在流速为100mL/min的氮气气体保护下，先由室温经过60min升温至300℃保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃保持120min，然后自然降温至室温得到物料B1；
（3）将物料B1转移至100mL烧杯中并加入60-80mL 2mol/L盐酸溶液浸泡酸洗12h；
（4）用高纯水抽滤洗涤2-3次，然后在105℃鼓风干燥箱中干燥12h得到催化剂C1；
（5）将制得的催化剂C1用作电芬顿体系的阴极催化剂去降解50mL浓度为10mg/L的碱性橙2溶液，降解彻底所用时间为200min。
实施例2
（1）将1g牛筋草粉末和2g EDTA-2Na置于玻璃研钵中研磨10min使其充分混合均匀得到物料A2；
（2）将物料A2转移至瓷舟中并放置于管式炉中，在流速为100mL/min的氮气气体保护下，先由室温经过60min升温至300℃保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃保持120min，然后自然降温至室温得到物料B2；
（3）将物料B2转移至100mL烧杯中并加入60-80ml 2mol/L盐酸溶液浸泡酸洗12h；
（4）用高纯水抽滤洗涤2-3次，然后在105℃鼓风干燥箱中干燥12h得到催化剂C2；
（5）将制得的催化剂C2用作电芬顿体系的阴极催化剂去降解50mL浓度为10mg/L的碱性橙2溶液，降解彻底所用时间为180min。
实施例3
（1）将1g牛筋草粉末、2g EDTA-2Na和0.5g NH4F置于玻璃研钵中研磨10min使其充分混合均匀得到物料A3；
（2）将物料A3转移至瓷舟中并放置于管式炉中，在流速为100mL/min的氮气气体保护下，先由室温经过60min升温至300℃保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃保持120min，然后自然降温至室温得到物料B3；
（3）将物料B3转移至100mL烧杯中并加入60-80mL 2mol/L盐酸溶液浸泡酸洗12h；
（4）用高纯水抽滤洗涤2-3次，然后在105℃鼓风干燥箱中干燥12h得到催化剂C3；
（5）将制得的催化剂C3用作电芬顿体系的阴极催化剂去降解50mL浓度为10mg/L的碱性橙2溶液，降解彻底所用时间为150min。
实施例4
（1）将1g牛筋草粉末、2g EDTA-2Na和1g NH4F置于玻璃研钵中研磨10min使其充分混合均匀得到物料A4；
（2）将物料A4转移至瓷舟中并放置于管式炉中，在流速为100mL/min的氮气气体保护下，先由室温经过60min升温至300℃保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃保持120min，然后自然降温至室温得到物料B4；
（3）将物料B4转移至100mL烧杯中并加入60-80mL 2mol/L盐酸溶液浸泡酸洗12h；
（4）用高纯水抽滤洗涤2-3次，然后在105℃鼓风干燥箱中干燥12h得到催化剂C4；
（5）将制得的催化剂C4用作电芬顿体系的阴极催化剂去降解50mL浓度为10mg/L的碱性橙2溶液，降解彻底所用时间为130min。
实施例5
（1）将1g牛筋草粉末、2g DTA-2Na和2g NH4F置于玻璃研钵中研磨10min使其充分混合均匀得到物料A5；
（2）将物料A5转移至瓷舟中并放置于管式炉中，在流速为100mL/min的氮气气体保护下，先由室温经过60min升温至300℃保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃保持120min，然后自然降温至室温得到物料B5；
（3）将物料B5转移至100mL烧杯中并加入60-80mL 2mol/L盐酸溶液浸泡酸洗12h；
（4）用高纯水抽滤洗涤2-3次，然后在105℃鼓风干燥箱中干燥12h得到催化剂C5；
（5）将制得的催化剂C5用作电芬顿体系的阴极催化剂去降解50mL浓度为10mg/L的碱性橙2溶液，降解彻底所用时间为100min。
实施例6
（1）将1g牛筋草、2gEDTA-2Na和3g NH4F置于玻璃研钵中研磨10min使其充分混合均匀得到物料A6；
（2）将物料A6转移至瓷舟中并放置于管式炉中，在流速为100mL/min的氮气气体保护下，先由室温经过60min升温至300℃保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃保持120min，然后自然降温至室温得到物料B6；
（3）将物料B6转移至100mL烧杯中并加入60-80mL 2mol/L盐酸溶液浸泡酸洗12h；
（4）用高纯水抽滤洗涤2-3次，然后在105℃鼓风干燥箱中干燥12h得到催化剂C6；
（5）将制得的催化剂C6用作电芬顿体系的阴极催化剂去降解50mL浓度为10mg/L的碱性橙2溶液，降解彻底所用时间为120min。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (4)

1.一种高效降解模拟印染废水氮氟双掺杂碳材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）在玻璃研钵中放入生物质、EDTA-2Na和NH4F，研磨10-15min使其混合均匀得到物料A，其中生物质为牛筋草；
（2）将物料A盛放于瓷舟中，在惰性气体N2保护下，放置于管式炉中煅烧。
2.升温程序如下：先由室温经过60min升温至300℃保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃保持120min，然后自然降温至室温得到物料B；
（3）将物料B浸泡于2mol/L的盐酸溶液中12h，以除去物料B中的金属原子；
（4）用高纯水对物料B进行抽滤洗涤，洗涤2-3次，然后放入烧杯中并置于105℃烘箱中干燥12h得到氮氟双掺杂碳材料，该氮氟双掺杂碳材料含有大量的微孔和介孔。
3.根据权利要求1所述的高效降解模拟印染废水氮氟双掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：所述生物质、EDTA-2Na和NH4F的投料质量比为1:2:0.5-3。
4.根据权利要求1所述的高效降解模拟印染废水氮氟双掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：所述生物质、EDTA-2Na和NH4F的投料质量比为1:2:1。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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