[发明专利]一种氮掺杂生物炭及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂生物炭及其制备方法和应用，该氮掺杂生物炭的制备方法包括以下步骤：将再生纸的一部分放入到氮掺杂前驱体和碳酸氢盐的混合溶液中，静置，去除浸泡在溶液中和未被溶液浸湿的再生纸，所得吸附有氮掺杂前驱体和碳酸氢盐的再生纸进行煅烧，洗涤，干燥，得到氮掺杂生物炭。本发明氮掺杂生物炭具有成本低、吸附性能好、催化活性高、稳定性好等优点，是一种新型的生物炭材料，能够实现对有机污染物的高效降解，且重复利用性能好，可以多次循环使用，在去除水体有机污染物方面有很大的优势，使用价值高，应用前景好。本发明制备方法具有工艺简单、操作方便、对设备和反应参数要求不高等优点，适合于大规模制备，利于工业化应用。

技术领域

本发明属于材料技术领域和有机污染物的高级氧化处理领域，涉及一种氮掺杂生物炭及其制备方法和应用，具体涉及一种由再生纸制得的氮掺杂生物炭和利用该氮掺杂生物炭活化过硫酸盐降解水体有机物的应用。

背景技术

随着现代社会工农业和城市经济的高速发展，大量有机污染物随着工业废水和生活污水的排放进入污水处理厂，极大增加了污水处理厂的处理负荷。然而，还有一些有机污染物则通过农业生产中使用的农药化肥等随着雨水或地表径流在自然水体环境中迁移、富集，对自然水生态环境造成了巨大威胁。以2,4-二氯苯酚为例，它在农药工业上主要用于生产杀虫剂酚线磷与除草剂噁草酮、甲酯除草醚等，在医药工业上用于也作为重要的化工原料有广泛应用。然而，2,4-二氯苯酚本身具有毒性，会使蛋白质变性从而使细胞失去活性，因而会严重损害人体机能。一般情况下，在水环境中富集的有机污染物会通过多种途径进入人体，造成人体机能紊乱，严重威胁到人类身体健康。因此在环境修复领域，去除水体中的有机污染物已成为重要任务。但是，许多有机污染物很难通过普通的水处理技术得到去除，因而开发具有强氧化能力和处理效率的水处理技术是当前水体有机污染去除领域的重要需求。

国内外已经对水中有机污染物的吸附和催化氧化修复技术进行了深入的研究，其中过硫酸盐高级氧化技术由于具有处理效率高，成本较低且易于操作等诸多特点在高效降解有机物方面有很大的优势。已有大量研究表明过硫酸盐高级氧化技术能高效去除各种难降解有机物，如挥发性有机物、内分泌干扰物、药物及个人护理产物和全氟化物等。一般情况下，过硫酸盐很难直接氧化有机物，但经过活化后，可以产生强氧化性的硫酸根自由基和羟基自由基，降解大部分有机污染物并将其完全矿化。目前主要的活化手段主要分为物理法和化学法。物理法主要包括紫外照射、加热和超声等；化学法主要包括碱、酚类、过渡金属离子以及过渡金属氧化物活化法等。物理法能耗较高，而过渡金属氧化物可重复利用性较差且容易引起二次污染。从可持续发展的角度来看，对环境友好的非金属催化剂将会是一个很好的选择。非金属催化剂尤其是碳材料可完全避免金属离子的二次污染问题，而且还具有易于分离、环境友好且稳定性高的优点，将其用于活化过硫酸盐降解水体有机污染物是很好的选择，但是常用的碳材料如石墨烯、碳纳米管等催化性能仍有待提高，且循环使用能力不强。因此，开发具有高催化、高稳定性的新型功能型碳材料已是大势所趋。

生物炭是一种以生物质为原料衍生出来的碳材料，且由于其具有生物质来源广、成本低、制备简单等诸多特点，已在在环境污染物去除方面有很强的应用前景。目前，生物炭材料在过硫酸盐高级氧化体系中展现的催化能力较弱，这严重限制了其广泛应用。已有研究表明，杂原子(如氮)掺杂可以有效调节生物炭的催化性能，使其具有更高活性，因而选择合适的原材料进行杂原子掺杂改性是开发新型生物炭材料的重要策略。再生纸是一种以废纸为原料，经过分选、净化、打浆、抄造等十几道工序生产出来的纸张，它是生活中随处可见且大量使用的一种资源，如大量使用的纸箱，卷纸的纸筒芯等。每天有大量的再生纸被弃置并进行回收，因此它是一种很好的用于制备生物炭的廉价资源。将再生纸制成功能型生物炭材料符合当今时代废弃物资源利用化的理念。至今为止，尚未见到利用再生纸制备生物炭的相关报道。

发明内容