[发明专利]一种以功能化碳纳米管为催化剂的臭氧化水处理方法

说明书

技术领域

本发明属于水处理和环境催化领域，涉及一种以功能化碳纳米管作为催化剂的臭氧化水处理方法。

背景技术

碳纳米管是由片状石墨卷曲而成，六元环的分子结构沿着管状表面排布，决定了碳纳米管的金属性或半导体性，也造成了碳纳米管内外环境的差异。因为其独特的性质，自从1991年发现以来，碳纳米管就成为科学家研究的热点。为了发现或发展新的现象、材料、理论，人们对碳纳米管的研究通常采用三种途径：其一是在碳纳米管的π共轭骨架上进行化学功能团的共价组装；其二是在碳纳米管上进行功能分子的非共价吸附或包覆；第三是在碳纳米管的内部空间内进行功能化合物填充或组装。

近年来，将碳纳米管作为催化剂载体，在其表面进行活性组分的负载或包覆处理、进而制备得到催化剂的方法已有大量报道，比如碳纳米管负载的金属或金属氧化物；将碳纳米管作为内部空间内进行功能化合物填充或组装，制备获得高效催化剂的报道也逐渐增多，比如碳纳米管内部填充的金属或金属氧化物。然而，脱离金属组分、直接对碳纳米管表面进行功能化的报道还很少。碳纳米管本身具有较大的比表面积，在水中机械强度大、易分离，如果其表面经过功能化后具有了催化活性基团，在催化剂领域的应用前景同样值得期待。

水环境问题作为全球的重大问题日益引起人们重视，纳米催化剂在环境保护中具有广阔的应用前景，其中一个重要领域是含有机污染物废水的催化降解处理。催化臭氧化是利用催化剂在常温常压下强化臭氧氧化的高级氧化降解过程，其中多相催化备受青睐。

碳纳米管在臭氧化水处理领域引起了科学家的广泛关注，人们先后采取多种方法赋予碳管表面活性组分，比如负载金属氧化物，比如采取氢化还原等。然而上述方法，均需要比较繁琐的处理操作环节。本发明试图提出一种简便的处理方案，使碳纳米管实现催化功能化，进而提出其在臭氧化水处理中的使用方法。

发明内容

本发明的目的是通过简便的碱处理步骤，使碳纳米管表面增加活性基团，具备催化臭氧化功能，并提供其作为臭氧化催化剂的使用方法。本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

(1)功能化碳纳米管的制备：将碳纳米管样品置于浓氢氧化钠水溶液中，常温下搅拌3-24h，然后离心分离，将碳管用去离子水反复洗涤，直至其洗涤后上层清液变为中性，分离后空气气氛下烘干，得到功能化碳纳米管样品；

(2)臭氧化水处理：将得到的功能化碳纳米管样品作为催化剂加入到臭氧化水处理体系中，通入臭氧，同时开动搅拌、降解水中有机污染物；

(3)功能化碳纳米管样品的回收：臭氧化处理完毕，通过静置、离心或过滤，将碳纳米管从水溶液中分离出来，用于下一次的催化过程。

在实验过程中，我们发现氢氧化钠的浓度为5-10mol/L时、碳纳米管与氢氧化钠水溶液的质量比为0.01-0.1时功能化处理效果较好，所得纳米催化剂的量与所处理废水的质量之比为0.001、反应温度在室温时即可达到较好的催化效果。

本发明的有益效果：采用碱性水溶液环境常温下处理碳纳米管，得到功能化的碳纳米管催化剂，将这些碳纳米管作为催化剂后，在相同的臭氧投入量，催化剂量，反应温度下，对污水中有机污染物的降解速率均有所加快，矿化程度有所提高。与现有处理方法相比较，本发明提出的水处理方法具有显著的特点：

(1)功能化碳纳米管的制备方法操作简单，合成过程周期短，常温完成，无毒无污染。

(2)功能化碳纳米管尺度较小，在水中具有良好的分散性，有利于提高与臭氧、水中污染物的接触。因此在使用过程中，较小的投入量即可取得较好的催化效果。

(3)功能化碳纳米管具有较好的机械强度，在催化臭氧化条件下具有较好的稳定性，相比纳米颗粒，碳纳米管较易分离、多次重复使用，这对于其进行实际应用。

附图说明

图1为实施例1所得产品的TEM照片；

图2中分别为单独臭氧化(无催化剂)、实例2中功能化碳纳米管(样品2)催化臭氧化、实例3中功能化碳纳米管(样品3)催化臭氧化下苯酚的降解情况；

图3中分别为单独臭氧化(无催化剂)、实例3中功能化碳纳米管(样品3)催化臭氧化、实例4中功能化碳纳米管(样品4)催化臭氧化催化臭氧化下苯酚的降解情况；

图4中分别为单独臭氧化(无催化剂)、实例5中功能化碳纳米管(样品5)催化臭氧化、实例6中功能化碳纳米管(样品6)催化臭氧化下苯酚的降解情况。

具体实施方式

为了更具体的说明本发明的方法，下面给出本发明的实施例，但本发明的应用不限于此。

实施例1