申请日2019.02.20
公开(公告)日2019.04.16
IPC分类号B01J27/24; B01J35/02; B01J35/08; C02F1/30; C02F1/70; C02F101/16
摘要
本发明属于水中硝酸盐还原领域，具体涉及一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法。包括采用不同方法制备光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂;将所制备的催化剂投入到含硝酸盐的待处理工业废水中，在紫外光照射下光催化还原水中硝酸盐。本发明涉及的光催化还原水中硝酸盐的催化剂为氮化物类，包括过渡型氮化物、共价型氮化物、不同形貌的氮化物、缺陷型氮化物、负载金属及金属量子点的氮化物、氮化物与金属氧化物的复合物、以及负载在不同载体上的氮化物。本发明方法具有设备简单、易于控制、反应条件温和等优点;所制备的氮化物类催化剂可高效、稳定的去除污水中的硝酸盐，且具有良好的稳定性。
权利要求书
1.一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂，其特征在于：催化剂为共价型氮化物，其化学式为XxNy，其中0 2.根据权利要求1中所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂，其特征在于：所述催化剂为过渡型氮化物，其化学式为XxNy，其中0 3.根据权利要求1中所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂，其特征在于：所述催化剂为不同形貌的氮化物，包括零维的纳米微粒，一维的纳米线、纳米棒、纳米管、纳米纤维，二维的纳米带、纳米片，以及三维的纳米微球氮化物。 4.根据权利要求1中所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂，其特征在于：所述催化剂为缺陷型氮化物，其化学式为M-XxNy，其中0 5.根据权利要求1中所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂，其特征在于：所述催化剂为缺陷型氮化物，其化学式为M-XxNy，其中0 6.根据权利要求1中所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及，其特征在于：所述催化剂为负载金属以及金属量子点的氮化物，金属及金属量子点包括Fe、Bi、Ag中的一种，金属及金属量子点包括Fe、Bi、Ag中几种。 7.根据权利要求1中所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂，其特征在于：所述催化剂为氮化物与金属氧化物的复合物，氮化物与金属氧化物的质量比为1：(0.1-1)，金属氧化物为TiO2、ZnFe2O4、Cu2O、ZnO、CeO2、Ag2O、LiNbO3、GdCrO3中的一种，金属氧化物为TiO2、ZnFe2O4、Cu2O、ZnO、CeO2、Ag2O、LiNbO3、GdCrO3中几种组成。 8.根据权利要求1中所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂，其特征在于：所述催化剂为负载在不同载体上的氮化物，载体材料为碳布、海绵、硅片、不锈钢片、泡沫镍。 9.根据权利要求1中所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂，其特征在于：所述催化剂采用醇热法制备，催化剂采用焙烧法制备。 10.一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂水处理方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、将0.05-2g/L的催化剂投加到含有20-80mg/L硝酸盐水溶液的间歇式反应器中; 步骤2、在反应容器中，再加入1-10mmol/L的甲酸或EDTA-2Na作为空穴捕获剂，用流速为0.2L/min的氮气对反应溶液进行扫托; 步骤3、扫托之后反应装置运行，反应时间0-90min，定时取样，用离子色谱对样品中硝酸盐、亚硝酸盐的含量进行测定。 说明书 一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法 技术领域 本发明属于水中硝酸盐还原领域，具体涉及一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法。 背景技术 硝酸盐作为氮元素循环过程中的重要一环，其在水环境中普遍存在。然而，由于人类活动及气候变化等原因，使氮排放量增加，导致水环境中硝酸盐浓度逐年升高，水环境中中度和重度污染范围正逐年增加。水中硝酸盐含量过高，不仅会造成水体富营养化破坏水生生态系统，还会转化为致癌物质-亚硝酸盐，从而对生物体构成严重威胁，并可能通过食物链等影响人类健康。由于硝酸盐是一种性质稳定的阴离子，常规处理方法难以去除。因此，非常有必要开发高效去除水中硝酸盐催化剂及其处理硝酸盐污水的方法。 常规去除水中硝酸盐的方法主要包括：物理-化学法和生物脱硝法。物理法包括膜过滤、反渗透、离子交换、吸附等。化学法包括传统化学法、零价金属纳米颗粒、H2驱动催化脱氮等。物理法去除水中硝酸盐所需得处理费用较高，且无法彻底去除。化学法去除水中硝酸盐虽然具有反应迅速，易于操作等优点，但存在催化剂易失活、具有二次污染、价格昂贵等问题。生物脱硝法可将硝酸盐彻底还原成无害的氮气，但其具有抗冲击负荷能力低、有二次污染、工艺复杂等缺点。因此常规处理方法难以满足水中硝酸盐的去除需求。而光催化还原作为一种非常有前景的处理技术能够以显著的选择性将硝酸盐还原成无害的氮气，实现硝酸盐的高效去除。 发明内容 本发明的目的在于提供一种安全的高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂。 一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂，催化剂为共价型氮化物，其化学式为XxNy，其中0 所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法，催化剂可以为过渡型氮化物，其化学式为XxNy，其中0 所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法，催化剂可以为不同形貌的氮化物，包括零维的纳米微粒，一维的纳米线、纳米棒、纳米管、纳米纤维，二维的纳米带、纳米片，以及三维的纳米微球氮化物。 所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法，催化剂可以为缺陷型氮化物，其化学式为M-XxNy，其中0 所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法，催化剂可以为负载金属以及金属量子点的氮化物，金属及金属量子点包括Fe、Bi、Ag中的一种或其中几种组成。 所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法，催化剂可以为氮化物与金属氧化物的复合物，氮化物与金属氧化物的质量比为1：(0.1-1)，金属氧化物为TiO2、ZnFe2O4、Cu2O、ZnO、CeO2、Ag2O、LiNbO3、GdCrO3中的一种或其中几种组成。 所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法，催化剂可以为负载在不同载体上的氮化物，载体材料为碳布、海绵、硅片、不锈钢片或泡沫镍。 所述一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法，催化剂采用醇热法或焙烧法制备。 本发明的目的在于提供一种设备简单、反应条件温和、易于控制的高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂水处理方法。 一种高效光催化还原水中硝酸盐的氮化物类催化剂及其水处理方法，包括如下步骤： 步骤1、将0.05-2g/L的催化剂投加到含有20-80mg/L硝酸盐水溶液的间歇式反应器中; 步骤2、在反应容器中，再加入1-10mmol/L的甲酸或EDTA-2Na作为空穴捕获剂，用流速为0.2L/min的氮气对反应溶液进行扫托; 步骤3、扫托之后反应装置运行，反应时间0-90min，在一定时间间隔内进行取样，用离子色谱对样品中硝酸盐、亚硝酸盐的含量进行测定。 本发明的有益效果在于： 本发明采用光催化去除水中硝酸盐的技术能够以显著的选择性将硝酸盐还原成无害的氮气，具有反应速率快、反应条件温和、安全、方便、高效等优点，可用于污水处理厂的出水处理，以有效降低污水中硝酸盐的浓度。同时，氮化物作为光催化剂具有优异的化学稳定性、低毒性和抗腐蚀性。氮化物具有较负的导带电势，其被光子激发产生的光生电子可直接还原水中的硝酸盐。同时作为空穴捕获剂的甲酸或EDTA-2Na可以与光生空穴、·OH、H·反应产生具有强还原性的二氧化碳自由基(CO2·-)，提高硝酸盐的去除性能。