[发明专利]一种铜/石墨烯催化剂在水处理中的应用

说明书

本发明属于环境污染治理技术领域，涉及一种铜/石墨烯催化剂在水处理中的应用。该法以石墨烯、硫酸铜作为原料，以抗坏血酸作为还原剂，制备得到铜/石墨烯催化剂。该催化剂可实现铜纳米颗粒的可控生成，能够稳定分散于石墨烯的表面，从而产生良好的催化性能，尤其是催化还原硝基芳烃化合物，铜/石墨烯催化剂对硝基芳烃类的降解率可达95％，对芳胺的选择性高达98％，经过四次循环使用对硝基芳烃类的降解率仍保持在93％以上，展现了良好的催化活性和稳定性，是一种高效绿色可回收的催化剂。

技术领域

本发明涉及的是环境污染治理的技术领域，具体涉及一种铜/石墨烯催化剂在水处理中的应用，尤其涉及一种铜/石墨烯催化剂在含硝基芳烃化合物水处理中的应用。

背景技术

硝基多环芳烃是在20世纪70年代末在环境中发现的一类有机污染物，其主要来源于有机物质、生物质的不完全燃烧和大气中母体多环芳烃与大气介质(NO₂、NO₃^-、HNO₃等)通过光化学反应生成。硝基多环芳烃具有直接的致突变性和致癌性，虽然其在大气中浓度远低于多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)，但它们的变异活性却高出其母体PAHs的数十乃至数千倍。因此当携带有NPAHs的颗粒物进入到人体后会严重威胁着人体健康。根据颗粒物粒径的大小不同，可以到达人体的不同部位，如PM10可以到达人的支气管，而PM2.5则可以到达人的肺部。

目前，对硝基化合物的处理一般采用硝基还原法，可将毒性强的硝基化合物还原成芳基胺类化合物。在现有还原硝基芳烃类的技术中，为提高效率，一般要使用Pd、Ni、Cu等金属作为催化剂，且开发出了各种以Pd、Ni、Cu等以石墨烯为载体的纳米催化剂。此类石墨烯纳米催化剂不仅可以阻止纳米粒子的聚团，而且还可以稳固纳米粒子，达到多次可回收利用的效果，展示出的良好的反应活性。然而,由于Pd和Ni催化剂毒性较大,价格较高,以及对不稳定而且剧毒的有机膦配体，相比来讲，Cu催化剂不需要使用毒性较大的含磷配体，因此，开发一种用Cu/石墨烯作为催化剂，还原硝基芳烃化合物的水处理应用具有非常大的经济价值和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜/石墨烯催化剂在水处理中的应用，具体为将铜/石墨烯催化剂应用于含硝基芳烃化合物的水处理。该法以石墨烯、硫酸铜作为原料，利用抗坏血酸将硫酸铜中的二价铜还原为零价铜纳米粒子，并使其分散于石墨烯的表面，从而制备获得铜/石墨烯催化剂。再将制得的铜/石墨烯催化剂应用于水处理中催化还原硝基芳烃化合物。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案：

将硝基芳烃化合物和铜/石墨烯催化剂置于反应装置中，加入一定比例的水和乙醇混合溶剂，搅拌均匀，将温度升高至一定温度后，加入硼氢化钠，并将反应保持2h～4h，反应完成后，停止加热，自然冷却至室温。

进一步地，硝基化合物、铜/石墨烯与硼氢化钠的投料比按重量比为(1～5):(5～10):(1～5)。

进一步地，硝基芳烃化合物包括硝基苯、邻二硝基苯、对二硝基苯、间二硝基苯、对甲基硝基苯、2-硝基联苯、对硝基苯甲酸、对硝基苯甲醛、对硝基氯苯。

进一步地，将温度升高至40℃～70℃，优选50℃。

进一步地，硼氢化钠分批次计量加入或连续计量加入。

进一步地，铜/石墨烯采用以下方法进行制备：

首先采用改进的Hummers方法制备得到氧化石墨烯，再将氧化石墨烯加入至N-甲基吡咯烷酮中超声分散，用NaOH溶液调至pH＝10，依次加入抗坏血酸和五水合硫酸铜，升高温度至一定温度后，保持反应2h～3h，当反应完成，冷却后加水，静置去除上清液，依次用蒸馏水、无水乙醇各洗涤离心三次，离心收集沉淀，真空干燥，得到黑色铜/石墨烯固体。

本发明的积极效果如下：