[发明专利]一种碳材料负载纳米零价金属催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种去除饮用水中氯代有机污染物的催化剂，具体涉及一种碳材料负载纳米零价金属催化剂、该催化剂的制备方法以及利用该催化剂去除饮用水中氯代有机污染物的方法，属于污水处理技术领域。

技术背景

饮用水是人类生存的基本需求。安全可靠的饮用水直接关系到国民的身心健康与生活品质。中国目前的现状是饮用水安全隐患日益加重，其中饮用水消毒副产物受到越来越多的关注。饮用水采用标准的氯化处理能显著降低由饮水传播的疾病，但氯化消毒的过程中，氯分子会和水中的一些天然有机物质(Natural Organic Matter, NOM)，如溶解在水中的溴化物和碘化物，反应形成消毒副产物(Disinfection Byproducts, DBPs)。目前在饮用水已经发现的消毒副产物就多达600余种，绝大多数消毒副产物都具有长期积累毒性，即大大增加癌变或其他影响身体健康的病变的机率。因此，各国都对饮用水中的一些消毒副产物设定了严格的残留值。此外，由于人类工农业活动中应用了大量的氯代烷烃类有机物，如四氯化碳作为溶剂、去油剂等被广泛大量使用于工业生产，由于后处理不当，对水体、空气及土壤产生了一定污染。四氯化碳已被美国列入129种“水中优先控制污染物黑名单”，同时也被中国列入68种“水中优先控制污染物黑名单”。它是一种具有强致癌、致畸、致突变作用的污染物。作为一种非水相有机物，可以在饮用水中长期存在，威胁国民身体健康。饮用水中四氯化碳源自地下水和地表水，其中地下水体中挥发扩散少，同时又几乎不存在生物分解，所以很难自洁清楚，容易造成超标，尤为需要高度重视的是国内多个城市地下水中四氯化碳超标现象比较突出。对于这些低浓度、高毒性、难降解的DBPs及其它氯代有机污染物，如果采用传统的水处理方法，如依靠外加反应试剂 (如H₂O₂、O₃) 等产生有效活性物种(如自由基等)进行消除，很难达到理想效果。因此为保证饮用水安全，就必须尽快设计开发出能高效去除氯代有机物的安全可靠的方法。

近年来涌现和发展起来的纳米材料及相关纳米组装技术，从维度、空间几何尺寸、能带结构、表面特性以及污染物分子在材料表界面上的反应历程等都为选择性识别和消除DBPs提供了最可能、最丰富的选择，这是传统环境材料所不能完成的。其中零价金属，如零价铁、零价铜等具有廉价易得、低毒安全、且不会对环境产生二次污染等优点，使其成为在水污染治理方面倍受关注的新型污染控制技术。以零价铁为例，水体中利用零价铁对氯代有机物的脱氯可能途径有以下三种：

（1）    氯代有机物在零价铁表面直接得电子，发生脱氯反应：

（2）    还原脱除。零价铁腐蚀的直接产物Fe²⁺具有还原能力，可使部分氯代有机物脱氯：

（3）零价铁腐蚀过程产生氢气的还原：

其中脱氯途径一是主要途径，即认为整个脱氯反应主要为氯代有机物在零价铁表面直接得电子的反应。

普通的零价金属虽然在去除污染物时有较好的效果，但是其反应活性或还原能力还需要进一步的提升，以实现高效去除污染物的目的。

发明内容

本发明提供了一种碳材料负载纳米零价金属催化剂，该催化剂性能稳定，催化活性高，效果好。

本发明还提供了该催化剂的制备方法，本方法制备简单，可以将零价金属很好的负载到碳材料上。

本发明还提供了该催化剂处理饮用水中氯代有机污染物的方法，本催化剂高效、稳定、廉价，去除氯代有机污染物效果好、简单易行、安全可靠。

本发明是通过以下措施实现的：

一种碳材料负载纳米零价金属催化剂，其特征是：包括纳米零价金属和碳材料，纳米零价金属在碳材料中均匀分散，纳米零价金属的负载量为5-15mg/g。

本发明催化剂中，所述纳米零价金属为铁、铜、锌或镍。

本发明催化剂中，所述碳材料为碳纳米管、石墨烯或纳米活性炭。

本发明催化剂中，所述纳米零价金属采用湿法还原法负载到碳材料上，催化剂制备方法包括以下步骤：将碳材料超声分散与于水中，然后加入金属可溶性盐，25-40℃反应6-12h，反应后将碳材料分离出来，然后分散到表面活性剂中，在惰性气体保护下加入还原剂，在25-100℃下反应3-6h，反应后离心、干燥，得到碳材料负载纳米零价金属催化剂。