[发明专利]一种纳米笼复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

一种纳米笼复合催化剂及其制备方法和应用，取活性污泥、草酸亚铁和无水乙醇混合均匀，在Nsubgt;2/subgt;气氛中热解，随后冷却至室温，将得到的固体依次用无水乙醇、浓盐酸和去离子水清洗，烘干后得到氮掺杂生物质碳纳米笼；将上述氮掺杂生物质碳纳米笼与氯化铵均匀混合，Nsubgt;2/subgt;保护保温热处理完毕后，空冷至室温，用水和乙醇清洗过滤，最后烘干；将的Cu盐和Co盐按任意摩尔比例混合，再和上述产物一同加入DMF、甲醇和水混合溶液中，再加入DHTA，超声使之充分溶解于混合溶液中，密封后放于烘箱内反应，得到Cu‑Co‑MOF‑74@NCNC材料；将Cu‑Co‑MOF74@NCNC材料在Nsubgt;2/subgt;氛围下碳化，即得到Cu‑CO@NCNC催化剂。

技术领域

本发明涉及水污染物处理领域，具体涉及一种MOF衍生材料@氮掺杂生物质碳纳米笼复合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

人类通过生产活动排放生活污水与工业废水、固体废弃物与垃圾渗滤液泄露、环境突发事件等途径污染环境，并经全球水文循环作用引起饮用水源、雨水、地下水、河道水体、中水、湖泊水、海水及土壤等环境介质的普遍性污染，对生态安全与人类健康产生威胁，亟需开发安全、高效、稳定的处理技术，对污水、废水、固体废弃物、垃圾渗滤液等源头的有机污染物进行有效控制，对环境中地表水、地下水、海水及土壤等介质中污染物进行有效去除，并对饮用水、中水、雨水等进行深度处理，保障生态环境安全及公共卫生健康。

目前，产生严重风险并引起广泛关注的主要是一些有毒性的有机污染物，如药物、抗生素、内分泌干扰物、农药、持久性有机污染物等。当前常用的方法如微生物降解、活性炭吸附、膜过滤等，仍存在效率不高、受水质影响大、适用范围受限、运行成本较高、稳定性较弱等不足。

以芬顿与类芬顿氧化为代表的高级氧化工艺通过产生高活性的自由基（如羟基自由基）而对有机污染物处理效果较好，作为深度处理技术已在饮用水、污水、废水、地下水处理与修复等领域大规模应用，但是仍受诸多限制。芬顿氧化适用于酸性水中污染物的处理（pH=3.5左右），往往需要投加大量的酸和碱调节待处理水的pH，药剂消耗很大；芬顿与类芬顿氧化需要大量的亚铁离子，会产生大量的铁泥，需要后续进一步处理铁泥，显著增加处理难度与成本；氧化剂H₂O₂的投量大，而有效使用效率偏低，处理水中残留大量的氧化剂，需要进一步准确的处理，增加运行管理难度，且液体的H₂O₂是危险品，当前还无法现场规模化制备，而长途运输存在明显安全隐患。当前对芬顿与类芬顿氧化的改进，主要包括新的氧化剂、催化剂等。

因羟基自由基是一种无选择性的高活性物种，其氧化去除污染物的效率受水质因素影响显著，导致适用范围受限、实际使用效果欠佳。硫酸根自由基具有极高氧化活性，与绝大多数有机物反应的速率常数接近甚至超过羟基自由基，最大优点是其具有很好的反应选择性，受水质影响明显更小，实际处理污染物的效率更高。硫酸根自由基的安全、高效、稳定和经济产生方式一直是本领域学术界与工业界所关注的焦点与技术研发的核心。过硫酸盐如过二硫酸盐和过一硫酸盐可通过紫外光、过渡金属、催化剂的活化产生硫酸根自由基。

可分离的固体催化剂是强化芬顿与类芬顿体系（包括过氧化氢、过硫酸盐）的有效手段。部分催化剂虽然具有较好的催化效果，但是，催化剂活性与稳定性尚存不足，活性难以长期稳定，还无法大规模实际应用；高效催化剂往往需要贵金属（如Au、Ag、Pt等），成本昂贵，但是稳定性不足，处理成本较高；催化剂易受污染而活性不稳定，方法的稳定性较差，实际应用受限；催化剂易失活、易流失、不易回收且难再利用，存在一定的潜在风险。

综上所述，饮用水、生活污水、工业废水、雨水、地下水、地表水、海水、土壤、垃圾渗滤液和固体废弃物中污染物的芬顿处理仍是目前环境污染治理与水处理领域的一个巨大挑战，亟需开发一种安全、高效、稳定、经济的催化剂并用于催化过硫酸盐氧化去除污染物。

发明内容