[发明专利]活化过一硫酸盐选择性氧化磺胺甲恶唑的催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种高效活化过一硫酸盐选择性氧化磺胺甲恶唑的催化剂及制备方法和应用。其特征在于该催化剂是氮、硼共掺杂的聚多巴胺PDACB，其中N元素的原子占比为2.00‑5.00％，B元素的原子占比为25.00‑35.00％。利用PDA的自聚合特性，以PDA衍生的氮掺杂碳材料(PDAC)作为碳源和氮源，以硼酸为B源，制备出聚多巴胺衍生的N、B共掺杂的靶向碳基催化剂PDACB活化PMS，旨在通过界面电子转移的非自由基途径，选择性氧化降解典型污染物SMX。本发明碳基材料绿色环保且经济，可大规模合成且合成工艺简单、成本低，在广泛pH条件下均能强化对PMS的活化效果，且可实现回收利用，可应用于抗生素废水中活化PMS对SMX的选择性氧化处理。

技术领域

本发明涉及一种高效活化过一硫酸盐(PMS)选择性氧化磺胺甲恶唑(SMX)的催化剂及其制备和应用，属于抗生素废水处理工艺领域及新型催化材料及制备领域，具体应用于抗生素废水中活化PMS选择性氧化SMX。

背景技术

磺胺甲恶唑(SMX)是一种常用的磺胺类抗生素，主要用于尿道感染、呼吸系统感染、肠道感染、胆道感染及敏感细菌引起的局部软组织或伤口感染。虽然SMX在水体中处于一个持续较低水平(μg·L^-1或ng·L^-1)，但其存在显著的生态毒性。人类和动物滥用药物导致SMX地表水和地下水中过量残留，导致人体产生耐药基因。残留的SMX对微生物有较强的抑制作用，传统的生化处理不能达到预期的治疗效果。因此，开发高效且具有成本效益的处理技术来去除水环境中的残留的SMX是非常重要的。

到目前为止，已经开发和应用了大量的水处理技术来去除水体中的SMX，主要包括吸附法、膜生物反应器法、生化法和高级氧化法(AOPs)。大部分方法在水中残留的SMX处理研究中取得理想的成绩，但同时存在一定的局限性。因此，想要完全地将SMX从水中去除，活化过硫酸盐高级氧化法是目前大部分研究者的首要候选方法，具有以下优势：(1)硫酸根自由基的高氧化电位，(2)半衰期长，(3)广泛的pH应用范围。硫酸根自由基可以通过热活化、碱活化、超声活化、过渡金属离子活化等催化过一硫酸盐(PMS)获得。过渡金属离子(如Co、Mn、Ni及Zn等)活化法虽然操作简单、不消耗外加能量，但总是不可避免地溶出大量的金属离子，给环境带来二次污染，显著限制了PMS-AOPs在水处理中的广泛实际应用。因此，针对水中典型目标抗生素SMX，设计出高效、环保、经济的活化PMS催化剂势在必行。

因此，基于上述的研究现状，本发明的基本思路是以聚多巴胺(PDA)衍生的氮掺杂碳材料(PDAC)作为碳源和氮源，并通过简单的焙烧方法掺杂杂原子B，制备出聚多巴胺衍生的N、B共掺杂的靶向碳基催化剂PDACB。将其应用于催化PMS体系，利用体系中产生的非自由基活性物种，选择性氧化降解典型污染物SMX。一方面，N，B-共掺杂碳基材料驱动的PMS活化机制包含以下几个方面：(1)具有较高电负性的石墨N通过电子转移导致相邻碳带正电，有助于PMS转化为¹O₂；(2)具有孤对电子的吡咯N和吡啶N形成富电子区，可作为PMS亲电攻击的活性中心；(3)B在2s和2p轨道拥有3个价电子，它们可以形成类似于碳材料的sp²杂化的结构，因此这些电子可以有效断裂PMS的O-O键从而产生活性自由基；(4)吡啶N和石墨化碳骨架中的B之间有较好的协同效应，十分有利于非自由基活性物种的产生；(5)PDACB表面的羰基(C＝O)可能起到诱导电子从有机污染物(电子供体)转移到PMS(电子受体)的作用。另一方面，一般的活化PMS氧化法的活性物种选择性偏低，而废水组成复杂，共存基质种类多、浓度高、对目标污染物去除干扰大，往往需要过量的PMS投加或能量输入才能实现微量目标污染物的有效去除。这不仅显著提高了处理成本，同时易伴生毒害副产物，增加环境风险。因此，发展选择性的活化PMS氧化技术对于深度水处理技术创新具有重要意义。而发展选择性的活化PMS氧化技术的关键即是如何设计靶向催化剂、寻找活性位点并深入理解活化PMS的机制。本发明通过协同调节氧化剂PMS的反应性和目标污染物SMX的可及性，即界面电子转移途径，设计出聚多巴胺衍生的N、B共掺杂的靶向碳基催化剂PDACB，以实现对水体中SMX的选择性氧化。