[发明专利]一种吸附‑催化氧化协同降解苯酚的催化剂及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于材料合成和水处理技术领域，具体涉及一种吸附-催化氧化协同降解苯酚的催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

目前，有机废水排放是我国工业化生产进程中面临的重要问题之一，含酚废水作为石化行业产生的主要废水，因其高毒性和高污染性，在我国水污染控制中被列为重点解决的有害废水之一。酚类污染物是含酚废水的主要污染物，属于原型质毒物，对一切生物个体都有毒害作用，即使在低浓度下也能通过吸入、食入或皮肤接触等途径对人体肝、肾、肺和血管系统产生危害，被许多国家列为优先污染物。目前，常用的处理有机废水的方法主要有吸附法、金属催化氧化法、蒸发浓缩法和活性污泥法等，但是都不同程度的存在有毒金属渗透、处理费用昂贵和易产生二次污染等缺点。

近年来，高级氧化技术由于能完全降解有机污染物引起了越来越多的关注，其中以硫酸根自由基(SO₄^·-)替代羟基自由基(·OH)的高级氧化技术，已经应用于有机污染物的降解研究。这些高级氧化技术所用的催化剂一般含有金属或金属氧化物，虽然其催化活性高，但是存在费用高、有毒金属渗透造成二次污染等问题。因此，廉价易得且无二次污染的碳纳米材料作为非金属催化剂的高级氧化技术得到广泛关注。2013年，还原氧化石墨烯首次被报道能够催化活化过一硫酸盐产生硫酸根自由基(SO₄^-)。据报道，还原氧化石墨烯的催化性能通过掺杂杂原子能够显著提高。

现有技术中公开了一种废水中苯酚的吸附-催化氧化降解方法，主要步骤包括：以负载四氧化三铁的活性炭纤维为吸附剂并装填于吸附塔中，对含苯酚的废水进行吸附处理后，将过氧化氢溶液加入到吸附塔中，并同时鼓入空气，混合体系在50-60℃下，氧化处理1-3小时后，吸附剂得到再生，再输入含苯酚的废水循环吸附处理。该方法存在如下缺点：首先，加入过氧化氢的同时，要鼓入空气，能耗高，会增加废水处理成本。其次，氧化处理时，混合体系的温度优选为50-60℃，反应温度高，耗能高；最后，苯酚的氧化反应速度慢，反应时间长，废水处理时效性差。

综上所述，现有技术中含酚废水处理存在的催化氧化过程需要通入空气等导致处理成本高，苯酚的氧化反应速度慢导致的处理效率低的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种吸附-催化氧化协同降解苯酚的催化剂及其制备方法与应用。该催化剂的制备方法简单、催化效率高，在催化氧化过程中只需加入氧化剂，不需要鼓入空气。而且，在常温下催化剂催化效果显著，不需要升高体系温度，能够降低能耗。最后，本体系催化氧化处理30min，苯酚降解率达100％。

为了解决以上问题，本发明的技术方案为：

一种吸附-催化氧化协同降解苯酚的催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)以膨胀石墨为碳源，制备氧化石墨烯；

2)将步骤1)中制备的氧化石墨烯加入到水中，超声分散，得到氧化石墨烯的悬浮溶液；

3)将掺杂氮源加入到氧化石墨烯的悬浮溶液中，溶解后得到氧化石墨烯与掺杂氮源的混合溶液；

4)将步骤3)中得到的混合溶液在设定温度、设定压力下水热反应设定时间，得到氮掺杂石墨烯水凝胶；

5)将步骤4)中制备的氮掺杂石墨烯水凝胶在水中浸泡设定时间，浸泡过程中，间隔设定时间更换水，并在最后一次换水时加入设定比例的乙醇，继续浸泡一段时间；

6)将步骤5)中浸泡后的氮掺杂石墨烯水凝胶进行预冷冻、真空冷冻干燥，制得氮掺杂石墨烯气凝胶材料，即为目标催化剂。

进一步的，步骤2)中，超声分散的时间为1-2h。

进一步的，步骤2)中，氧化石墨烯的悬浮溶液的浓度为2-4mg/mL。

进一步的，步骤3)中，所述掺杂氮源为尿素，氨水或三聚氰胺，优选为尿素。

进一步的，步骤3)中，将掺杂氮源加入到氧化石墨烯的悬浮溶液中后，超声处理，使掺杂氮源完全溶解。

更进一步的，步骤3)中，所述混合溶液中，掺杂氮源与氧化石墨烯的质量比为1：10-1：50。

进一步的，步骤4)中，水热反应的反应温度为160-190℃，反应时间为10-14h，反应压力为5-10atm。

进一步的，步骤5)中，所述的水为去离子水，氮掺杂石墨烯水凝胶在去离子水中浸泡的时间为48-72h，以去除反应剩余的试剂。

更进一步的，步骤5)中，氮掺杂石墨烯水凝胶在浸泡过程中更换去离子水的次数为3-5次，保证水凝胶中的残余的试剂完全去除。