專利名稱：一種以功能化碳納米管為催化劑的臭氧化水處理方法
一種以功能化碳納米管為催化劑的臭氧化水處理方法技術領域
本發(fā)明屬于水處理和環(huán)境催化領域，涉及一種以功能化碳納米管作為催化劑的臭氧化水處理方法。
背景技術：
碳納米管是由片狀石墨卷曲而成，六元環(huán)的分子結構沿著管狀表面排布，決定了碳納米管的金屬性或半導體性，也造成了碳納米管內(nèi)外環(huán)境的差異。因為其獨特的性質(zhì)，自從1991年發(fā)現(xiàn)以來，碳納米管就成為科學家研究的熱點。為了發(fā)現(xiàn)或發(fā)展新的現(xiàn)象、材料、 理論，人們對碳納米管的研究通常采用三種途徑其一是在碳納米管的η共軛骨架上進行化學功能團的共價組裝；其二是在碳納米管上進行功能分子的非共價吸附或包覆；第三是在碳納米管的內(nèi)部空間內(nèi)進行功能化合物填充或組裝。
近年來，將碳納米管作為催化劑載體，在其表面進行活性組分的負載或包覆處理、 進而制備得到催化劑的方法已有大量報道，比如碳納米管負載的金屬或金屬氧化物；將碳納米管作為內(nèi)部空間內(nèi)進行功能化合物填充或組裝，制備獲得高效催化劑的報道也逐漸增多，比如碳納米管內(nèi)部填充的金屬或金屬氧化物。然而，脫離金屬組分、直接對碳納米管表面進行功能化的報道還很少。碳納米管本身具有較大的比表面積，在水中機械強度大、易分離，如果其表面經(jīng)過功能化后具有了催化活性基團，在催化劑領域的應用前景同樣值得期IvTo
水環(huán)境問題作為全球的重大問題日益引起人們重視，納米催化劑在環(huán)境保護中具有廣闊的應用前景，其中一個重要領域是含有機污染物廢水的催化降解處理。催化臭氧化是利用催化劑在常溫常壓下強化臭氧氧化的高級氧化降解過程，其中多相催化備受青睞。
碳納米管在臭氧化水處理領域引起了科學家的廣泛關注，人們先后采取多種方法賦予碳管表面活性組分，比如負載金屬氧化物，比如采取氫化還原等。然而上述方法，均需要比較繁瑣的處理操作環(huán)節(jié)。本發(fā)明試圖提出一種簡便的處理方案，使碳納米管實現(xiàn)催化功能化，進而提出其在臭氧化水處理中的使用方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過簡便的堿處理步驟，使碳納米管表面增加活性基團，具備催化臭氧化功能，并提供其作為臭氧化催化劑的使用方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案實現(xiàn)
(1)功能化碳納米管的制備將碳納米管樣品置于濃氫氧化鈉水溶液中，常溫下攪拌314h，然后離心分離，將碳管用去離子水反復洗滌，直至其洗滌后上層清液變?yōu)橹行裕?分離后空氣氣氛下烘干，得到功能化碳納米管樣品；
(2)臭氧化水處理將得到的功能化碳納米管樣品作為催化劑加入到臭氧化水處理體系中，通入臭氧，同時開動攪拌、降解水中有機污染物；
(3)功能化碳納米管樣品的回收臭氧化處理完畢，通過靜置、離心或過濾，將碳納米管從水溶液中分離出來，用于下一次的催化過程。
在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉的濃度為5-lOmol/L時、碳納米管與氫氧化鈉水溶液的質(zhì)量比為0.01-0. 1時功能化處理效果較好，所得納米催化劑的量與所處理廢水的質(zhì)量之比為0.001、反應溫度在室溫時即可達到較好的催化效果。
本發(fā)明的有益效果采用堿性水溶液環(huán)境常溫下處理碳納米管，得到功能化的碳納米管催化劑，將這些碳納米管作為催化劑后，在相同的臭氧投入量，催化劑量，反應溫度下，對污水中有機污染物的降解速率均有所加快，礦化程度有所提高。與現(xiàn)有處理方法相比較，本發(fā)明提出的水處理方法具有顯著的特點
(1)功能化碳納米管的制備方法操作簡單，合成過程周期短，常溫完成，無毒無污^fe O
(2)功能化碳納米管尺度較小，在水中具有良好的分散性，有利于提高與臭氧、水中污染物的接觸。因此在使用過程中，較小的投入量即可取得較好的催化效果。
(3)功能化碳納米管具有較好的機械強度，在催化臭氧化條件下具有較好的穩(wěn)定性，相比納米顆粒，碳納米管較易分離、多次重復使用，這對于其進行實際應用。


圖1為實施例1所得產(chǎn)品的TEM照片；
圖2中分別為單獨臭氧化(無催化劑)、實例2中功能化碳納米管(樣品2)催化臭氧化、實例3中功能化碳納米管(樣品3)催化臭氧化下苯酚的降解情況；
圖3中分別為單獨臭氧化(無催化劑)、實例3中功能化碳納米管(樣品3)催化臭氧化、實例4中功能化碳納米管(樣品4)催化臭氧化催化臭氧化下苯酚的降解情況；
圖4中分別為單獨臭氧化(無催化劑)、實例5中功能化碳納米管(樣品5)催化臭氧化、實例6中功能化碳納米管(樣品6)催化臭氧化下苯酚的降解情況。
具體實施方式
為了更具體的說明本發(fā)明的方法，下面給出本發(fā)明的實施例，但本發(fā)明的應用不限于此。
實施例1
將碳納米管樣品5g置于lOmol/L的濃氫氧化鈉水溶液IOOml中，常溫下攪拌3h， 然后離心分離，將碳管用去離子水反復洗滌，直至其洗滌后上層清液變?yōu)橹行?，分離后空氣氣氛下烘干，得到功能化碳納米管樣品1 ；
實施例2
將碳納米管樣品5g置于8mol/L的濃氫氧化鈉水溶液IOOml中，常溫下攪拌12h， 然后離心分離，將碳管用去離子水反復洗滌，直至其洗滌后上層清液變?yōu)橹行?，分離后空氣氣氛下烘干，得到功能化碳納米管樣品2 ；
實施例3
將碳納米管樣品Ig置于5mol/L的濃氫氧化鈉水溶液IOOml中，常溫下攪拌池，然后離心分離，將碳管用去離子水反復洗滌，直至其洗滌后上層清液變?yōu)橹行?，分離后空氣氣氛下烘干，得到功能化碳納米管樣品3 ；
實施例4
將碳納米管樣品18g置于lOmol/L的濃氫氧化鈉水溶液IOOml中，常溫下攪拌 Mh，然后離心分離，將碳管用去離子水反復洗滌，直至其洗滌后上層清液變?yōu)橹行裕蛛x后空氣氣氛下烘干，得到功能化碳納米管樣品4 ；
實施例5
將碳納米管樣品8g置于6mol/L的濃氫氧化鈉水溶液IOOml中，常溫下攪拌18h， 然后離心分離，將碳管用去離子水反復洗滌，直至其洗滌后上層清液變?yōu)橹行?，分離后空氣氣氛下烘干，得到功能化碳納米管樣品5 ；
實施例6
將碳納米管樣品3g置于lOmol/L的濃氫氧化鈉水溶液IOOml中，常溫下攪拌6h， 然后離心分離，將碳管用去離子水反復洗滌，直至其洗滌后上層清液變?yōu)橹行裕蛛x后空氣氣氛下烘干，得到功能化碳納米管樣品6 ；
實施例7
在200ml含苯酚初始濃度為100mg/L的模擬廢水中，添加不同的功能化碳納米管 0. 20g，開動攪拌，在反應溫度20°C下通入臭氧流量0. 40mg/min的臭氧，記錄不同時間下苯酚的濃度。結果分別如圖2，3，4所示。
圖2中分別為單獨臭氧化(無催化劑)、實例2中功能化碳納米管(樣品2)催化臭氧化、實例3中功能化碳納米管(樣品3)催化臭氧化下苯酚的降解情況，表明功能化碳納米管的加入顯著促進了苯酚的降解；
圖3中分別為單獨臭氧化(無催化劑)、實例3中功能化碳納米管(樣品3)催化臭氧化、實例4中功能化碳納米管(樣品4)催化臭氧化催化臭氧化下苯酚的降解情況，表明功能化碳納米管的加入顯著促進了苯酚的降解；
圖4中分別為單獨臭氧化(無催化劑)、實例5中功能化碳納米管(樣品5)催化臭氧化、實例6中功能化碳納米管(樣品6)催化臭氧化下苯酚的降解情況，表明功能化碳納米管的加入顯著促進了苯酚的降解。
權利要求
1.一種以功能化碳納米管作為催化劑的臭氧化水處理方法，其特征在于在臭氧化水處理的體系中加入功能化碳納米管作為催化劑，促進苯酚類有機污染物的降解，步驟為(1)功能化碳納米管的制備將碳納米管樣品置于濃氫氧化鈉水溶液中，常溫下攪拌 314h，然后離心分離，將碳管用去離子水反復洗滌，直至其洗滌后上層清液變?yōu)橹行?，分離后空氣氣氛下烘干，得到功能化碳納米管樣品；(2)臭氧化水處理將得到的功能化碳納米管樣品作為催化劑加入到臭氧化水處理體系中，通入臭氧，同時開動攪拌、降解水中有機污染物；(3)功能化碳納米管樣品的回收臭氧化處理完畢，通過靜置、離心或過濾，將碳納米管從水溶液中分離出來，用于下一次的催化過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的以功能化碳納米管作為催化劑的臭氧化水處理方法，功能化碳納米管的制備中，氫氧化鈉的濃度為5-lOmol/L，碳納米管與氫氧化鈉水溶液的質(zhì)量比為 0. 01-0. 1。
3.根據(jù)權利要求1所述的以功能化碳納米管作為催化劑的臭氧化水處理方法，添加催化劑的量與所處理廢水的質(zhì)量之比為0.001。
全文摘要
功能化碳納米管在環(huán)境催化和水處理領域引起廣泛關注，其關鍵是賦予具備表面催化活性。本發(fā)明的目的是通過簡便的堿處理步驟，使碳納米管表面增加活性基團，具備催化臭氧化功能，并提供其作為臭氧化催化劑的使用方法。經(jīng)過堿處理的碳納米管，基本結構、尺度形貌、機械性能保持良好，催化活性得到一定程度的提高，在水中可分離性良好，具有廣闊的應用前景。
文檔編號C02F1/78GK102515338SQ20111039930
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權日2011年12月6日
發(fā)明者孫云龍, 孫軍, 沈海亮, 王光麗, 董玉明, 蔣平平 申請人:江南大學