申请日2018.01.09
公开(公告)日2018.07.06
IPC分类号B01J27/24; B01J37/08; C02F1/78; C02F101/34
摘要
本发明公开了一种掺N石墨烯‑氧化铈复合催化剂，其制备方法包括以下步骤：(1)将CeO2前驱体、碳源以及氮源加入水中，搅拌均匀，烘干;(2)将烘干的固体研磨后，在氮气保护下焙烧，冷却，即得掺N石墨烯‑氧化铈复合催化剂。本发明还公开了掺N石墨烯‑氧化铈复合催化剂在酸性难降解废水处理中的应用。本发明的掺N石墨烯‑氧化铈复合催化剂可在酸性乃至强酸性条件下有效催化臭氧氧化降解有机污染物。
权利要求书
1.一种掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
(1)将CeO2前驱体、碳源以及氮源加入水中，搅拌均匀，烘干;
(2)将烘干的固体研磨后，在氮气保护下焙烧，冷却，即得掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂。
2.根据权利要求1所述的掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂，其特征在于，所述的CeO2前驱体为六水合硝酸亚铈;碳源为葡萄糖;氮源为三聚氰胺、双氰胺和尿素中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂，其特征在于，CeO2前驱体、碳源和氮源的质量比为1～5∶1∶5～20。
4.根据权利要求1～3任一项所述的掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂，其特征在于，步骤(2)中，焙烧方法为：先在400～500℃焙烧0.5～2h，然后以1～10℃/min的升温速率升温至700～900℃后焙烧1～2h。
5.根据权利要求4所述的掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂，其特征在于，步骤(2)中，焙烧方法为：先在450℃焙烧1～1.5h，然后以3～6℃/min的升温速率升温至800℃后焙烧1.5～2h。
6.根据权利要求1～5任一项所述的掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂在酸性难降解废水处理中的应用，其特征在于，包括：向含有有机污染物的酸性难降解废水中投加掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂和H2O2，通入臭氧进行催化氧化降解。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的有机污染物为单环芳香族化合物、多环芳香族化合物、杂环化合物、脂肪烃、脂肪烃衍生物和小分子有机酸中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，酸性难降解废水的pH为0～5。
9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，反应体系中，有机污染物的质量以酸性难降解废水的COD值计，有机污染物、H2O2和掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂的质量比为1∶0.5～4∶0.1～3。
10.根据权利要求6～9任一项所述的应用，其特征在于，臭氧以O2/O3混合气体的形式通入，混合气体中臭氧浓度为1.4～110mg·L-1，混合气体流量为0.1～0.6L.min-1。
说明书
一种掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂及其在酸性难降解废水处理中的应用
技术领域
本发明涉及废水处理领域，尤其涉及一种掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂及其在酸性难降解废水处理中的应用。
背景技术
随着人类工业技术的快速发展，全球环境污染日趋严重。高浓度、多组分、难降解的有机工业废水是环境污染中影响最广，危害最严重的污染源之一，因此有机废水成为环境科学和材料工程中备受关注的研究对象。在工业生产中，有机物的硝化、磺化、酯化、烷基化、催化和干燥等过程产生大量的高浓度有机废酸。废酸直接利用较为困难，传统处理工艺中的物理方法和生物方法往往不能得到满意的结果，开发简单、高效、节能的酸性废水处理方法是如今环境科学与工程研究的焦点。近年来，用法学法实现污染物的高度降解已成为国际水处理领域的研究热点，高级氧化技术(advanced oxidation process，AOPs)是现如今处理有机难降解废水最具有应用前景的方法之一。
臭氧类高级氧化技术作为高级氧化技术的一个分支，其利用臭氧产生羟基自由基氧化分解水中有机污染物。臭氧具有很高的标准氧化还原电位，能和大多数有机物发生氧化还原反应，破坏有机物结构，副产物无毒，基本无二次污染，有着许多别的氧化剂无法比拟的优点。近年来，催化臭氧化技术的研究拓展到光、超声、微波等方法连用，形成了光催化臭氧化(photocatalytic ozonation)、超声催化臭氧化(ultrasonic ozonation)、微波催化臭氧化(microwave-ozonation)和电化学耦合臭氧化(electro-ozonation)。
臭氧在碱性条件下较容易生成羟基自由基，然而碱性条件容易积累碳酸盐等羟基自由基淬灭剂，而且氧化过程中有机酸的生成使溶液pH下降，导致降解效率下降甚至终止。选择合适催化剂如过渡金属氧化物CuO、MnO2、TiO2、Fe2O3催化臭氧生成更高氧化性的羟基自由基(·OH)是目前研究臭氧高级氧化的核心内容。臭氧双氧水耦合技术使得臭氧在酸性条件下分解产生羟基自由基成为可能，但是效率依然较低。
近年来非均相催化H2O2/O3体系是研究的热点之一。钛路易斯酸，钛硅分子筛(TS-1)和固体超强酸(SZF)氧化铈(CeO2)是近年来我们发现的效率较高的几个催化剂。其中氧化铈的效率明显优于其他前者，但是在酸度较高的溶液中，降解效率不理想。
发明内容
针对现有的臭氧高级氧化技术在酸性条件下对有机污染物处理效率较低的不足，本发明的目的在于提供一种掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂，可在酸性乃至强酸性条件下有效催化臭氧氧化降解有机污染物。
本发明提供了如下技术方案：
一种掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂，其制备方法包括以下步骤：
(1)将CeO2前驱体、碳源以及氮源加入水中，搅拌均匀，烘干;
(2)将烘干的固体研磨后，在氮气保护下焙烧，冷却，即得掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂。
制得的掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂(NG-CeO2)中碳以石墨烯的形式存在，掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂为云状多孔高比表面积的纳米复合物。
所述的CeO2前驱体为六水合硝酸亚铈;碳源为葡萄糖;氮源为三聚氰胺、双氰胺和尿素中的至少一种。
优选的，步骤(1)中，CeO2前驱体、碳源和氮源的质量比为1～5∶1∶5～20;进一步优选的，CeO2前驱体、碳源和氮源的质量比为1.5～2.5∶1∶5～10;最优选的，CeO2前驱体、碳源和氮源的质量比为2∶1∶10。
优选的，步骤(2)中，焙烧方法为：先在400～500℃焙烧0.5～2h，然后以1～10℃/min的升温速率升温至700～900℃后焙烧1～2h。
进一步优选的，步骤(2)中，焙烧方法为：先在450℃焙烧1～1.5h，然后以3～6℃/min的升温速率升温至800℃后焙烧1.5～2h。
制备得到的NG-CeO2催化剂可以在酸性乃至强酸性条件下，高效催化臭氧氧化降解小分子酸，提高了臭氧氧化对酸性废水的矿化程度，将有机污染物有效降解为水和二氧化碳，提高臭氧的利用率，避免副产物的二次污染。
本发明还提供了上述NG-CeO2催化剂在酸性难降解废水处理中的应用，包括：向含有有机污染物的酸性难降解废水中投加掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂和H2O2，通入臭氧进行催化氧化降解。
H2O2/O3体系在酸性条件下很难实现有机物的高度矿化，而NG-CeO2的加入可以大大提高了催化体系在酸性条件下对有机污染物的降解率和矿化效率。NG-CeO2/H2O2/O3体系对酸性难降解废水具有较高的降解活性;所述的酸性难降解废水为含有其他臭氧高级氧化技术难以处理的有机污染物，例如，单环及多环芳香族化合物、杂环化合物、脂肪烃及其衍生物，以及大分子有机污染物臭氧氧化降解过程中的副产物——小分子有机酸等。
大分子有机污染物在臭氧氧化降解过程中，会逐渐被降解成小分子有机酸，导致废水的pH会进一步降低，并且对于普通的臭氧高级氧化技术来说，小分子有机酸性质稳定，只有超强氧化性的羟基自由基能将其氧化分解，这也是为什么普通的臭氧高级氧化技术在酸性条件下很难将有机物完全矿化(即完全分解成二氧化碳和水)的原因。而本发明的NG-CeO2/H2O2/O3体系可以有效地分解小分子有机酸，也即可以将酸性废水中的有机污染物高度矿化。
优选的，所述的酸性难降解废水中的有机污染物为小分子有机酸;进一步优选的，所述的酸性难降解废水中的有机污染物为乙酸。
优选的，酸性难降解废水的pH为0～5。
普通的臭氧高级氧化技术适用于pH较高的环境，而在酸性条件下降解效率较低，而本发明的NG-CeO2/H2O2/O3体系可以适用于酸性环境，在酸性环境乃至强酸性环境下对有机物仍有较高的降解和矿化效率，提高臭氧的利用率，避免副产物的二次污染。
优选的，酸性难降解废水的pH为1～5。
随着pH的升高，NG-CeO2/H2O2/O3体系的降解效率升高。
优选的，酸性难降解废水的pH为0～1。在强酸性pH为0～1时，一般的臭氧催化体系基本没有降解效果，而本发明的NG-CeO2/H2O2/O3体系仍有较高的降解效率。
在采用NG-CeO2/H2O2/O3体系降解未知浓度的酸性难降解废水时，需要先测酸性难降解废水的COD值，根据酸性难降解废水的COD值确定需要投入的H2O2和NG-CeO2催化剂的量。
优选的，反应体系中，有机污染物的质量以酸性难降解废水的COD值计，有机污染物、H2O2和掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂的质量比为1∶0.5～4∶0.1～3。
进一步优选的，反应体系中，有机污染物的质量以酸性难降解废水的COD值计，有机污染物、H2O2和掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂的质量比为1∶1～4∶0.4～0.8;最优选的，有机污染物、H2O2和掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂的质量比为1∶2～4∶0.4。
合适的有机污染物、H2O2和掺N石墨烯-氧化铈复合催化剂的比例可以提高反应体系的降解效率和矿化效率。
优选的，臭氧以O2/O3混合气体的形式通入，混合气体中臭氧浓度为1.4～110mg·L-1，混合气体流量为0.1～0.6L·min-1。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)NG-CeO2催化剂制备简单，合成成本低;
(2)NG-CeO2/H2O2/O3体系适用于酸性乃至强酸性条件，反应体系在较低的pH下也能具有较高的降解效率;
(3)NG-CeO2/H2O2/O3体系对有机污染物的矿化程度高，可有效降解小分子有机酸，使有机污染物可以得到高度矿化，提高臭氧的利用率，避免副产物的二次污染。