[发明专利]一种活性炭负载的氮掺杂钴催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于活性炭负载金属氧化物催化剂技术领域，具体涉及一种活性炭负载的氮掺杂钴催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着生产规模的不断扩大及工业技术的飞速发展，含有高浓度难降解、且有毒有害的有机废水污染源日益增多。目前处理各种有机废水的方法包括物理、生物及化学方法，其中物理法是将污染物加以收集与转移，而不是消除。生物法是目前使用最成功与广泛的方法，但处理周期较长，且对可生化活性差以及高生物毒性的污染物处理较难。以高级氧化技术为代表的化学方法能够将污染物中的绝大部分有机物完全矿化或分解，具有很好的应用前景，但在实际的工业应用方面还存在一些技术难题。比如：1)由于大量使用金属离子作为催化剂，随着反应的进行，反应介质逐渐酸化，同时由于较高的处理温度，金属离子大量溶出，形成二次污染；2)反应受pH限制严重，如Fenton体系需要在pH 3-4的条件下进行；3)部分氧化技术设备投资大，如湿式氧化需要高温高压条件。为克服以上缺点，发明专利“一种活化双氧水氧化降解废水有机污染物的方法”(ZL 200910061122.0)利用碳酸氢盐活化双氧水实现有机废水的有效降解。不仅如此，在该体系中加入微量的水溶性过渡金属离子会提高其催化活性(Applied Catalysis B:Environmental,2011,102:37-43)。均相Co/Na₂CO₃/H₂O₂系统虽然有催化效率高，氧化能力强等优点，但同时也存在着局限性，比如催化剂不易回收再利用等，而最大的缺点就是均相催化体系中的Co²⁺，尽管用量不是很多，但仍然会造成潜在的二次污染和生物毒性。

近年来研究负载金属离子催化剂用于降解有机污染物成为该领域的新热点。开发新型有效、无二次污染且易回收的负载型催化剂是解决有机废水降解问题中的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的是，提供一种活性炭负载的氮掺杂钴催化剂及其制备方法和应用。本发明中活性炭负载的氮掺杂钴催化剂可以实现有机污染物的高效零污染降解。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下：

一种活性炭负载的氮掺杂钴催化剂，该催化剂采用活性炭为负载载体，在活性炭中掺杂钴氧化合物以及含氮化合物，所述钴氧化物中钴元素质量占催化剂总质量为1％～10％，所述含氮化合物中氮元素质量占催化剂总质量为1％～14％。

优选地，所述含氮化合物为1,10-菲啰啉或三聚氰胺或壳聚糖。本发明还提供了活性炭负载的氮掺杂钴催化剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将钴盐化合物和含氮化合物溶解或分散于有机相或水相中，混合均匀后加入颗粒状活性炭；所述钴盐化合物的加入量按照钴元素质量占催化剂总质量的1％～10％计算，所述含氮化合物的加入量按照氮元素质量占催化剂总质量的1％～14％计算；

步骤2，将前述混合溶液于50～120℃中烘干，制得含钴盐和氮化合物的活性炭固体；

步骤3，将步骤2得到的活性炭固体在氮气保护的条件下于400～800℃煅烧2～6小时，冷却后，得到活性炭负载的氮掺杂钴催化剂。

优选地，所述步骤1中的钴盐化合物为醋酸钴或硝酸钴或氯化钴，所述含氮化合物为1,10-菲啰啉或三聚氰胺或壳聚糖。

本发明还提供了所述活性炭负载的氮掺杂钴催化剂在降解有机废水污染物中的应用。

所述活性炭负载的氮掺杂钴催化剂降解有机废水污染物的具体过程为：向有机废水中加入碳酸氢盐、所述活性炭负载的氮掺杂钴催化剂和过氧化氢，常温搅拌放置，对所述有机废水进行降解。该实施方案中对于碳酸氢盐、过氧化氢和活性炭负载的氮掺杂钴催化剂向有机废水中的加入顺序并没有限定。

进一步地，所述碳酸氢盐在有机废水中的浓度为0.5-100mmol/L；所述过氧化氢在有机废水中的浓度为1-100mmol/L。所述活性炭负载的氮掺杂钴催化剂在降解有机废水污染物时的用量为0.05-10g/L。

进一步地，所述活性炭负载的氮掺杂钴催化剂降解有机废水污染物后，该催化剂容易采用过滤方法回收，重新多次作为催化剂对有机废水进行降解处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明所述的活性炭负载的氮掺杂钴催化剂，制备方法简单、成本低廉，稳定性高，钴离子溶出率低，有效克服了载体中金属离子容易流失的缺点，而且大颗粒状催化剂能够容易从反应液中分离并再次重新利用于有机废水的降解，该过程钴离子溶出率均较低。