鐵酸鉍或其碳復(fù)合材料光催化脫氮方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于鐵酸鉍或其碳基復(fù)合材料的光催化降解氨氮的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]農(nóng)業(yè)上，氮肥是農(nóng)作物生長的營養(yǎng)素，其營養(yǎng)成分是氨氮。但是水體中過量的氨氮會導(dǎo)致富營養(yǎng)化，嚴(yán)重時爆發(fā)藍(lán)藻。因此國家規(guī)定氨氮的排放標(biāo)準(zhǔn)是15mg/L。
[0003]目前脫氮的方法主要有物理吹脫法、物理吸附法、生物降解法、化學(xué)沉淀法、電化學(xué)氧化法、折點(diǎn)加氯法等。這些方法要么成本高，要么效率低，折點(diǎn)加氯法還會產(chǎn)生余氯。因此，需要高效率、低成本、且無二次污染的脫氮新技術(shù)。
[0004]光催化反應(yīng)常用于污水處理，尤其是用于水中難降解有機(jī)污染物的處理，反應(yīng)產(chǎn)生的.0Η活性自由基具有強(qiáng)氧化性，能將水體中難降解有機(jī)污染物降解去除并礦化為對環(huán)境無污染的0)2和H2O,是一種環(huán)境友好的綠色催化工藝。催化反應(yīng)通常在均相下進(jìn)行，對反應(yīng)體系的pH值有嚴(yán)格的要求，通常只在pH值為2.5?3.5的范圍內(nèi)才有高的光催化活性，并且還存在催化劑難以分離與回收、鐵離子流失造成二次污染等缺點(diǎn)。這些問題和缺點(diǎn)大大限制了催化反應(yīng)在污水處理中的應(yīng)用。因此需要研究開發(fā)多相催化劑。
[0005]清華大學(xué)沈洋等人報道了一種鐵酸鉍-石墨烯復(fù)合材料的制備方法及降解有機(jī)污染物(詳見專利申請?zhí)?01210359538.2)，但是該方案不涉及氨氮的降解。謝丹等人報道了一種碳基透明電極/鐵酸鉍光伏器件及其制備方法(專利申請?zhí)?01210247686.5)，但是該專利不涉及在環(huán)境領(lǐng)域里的應(yīng)用。本案發(fā)明人曾經(jīng)報道了一種磁性鐵酸鎳光催化材料的制備方法及降解氨氮的應(yīng)用(專利申請?zhí)?201210459681.9)，但是該方案中的鎳離子對光催化反應(yīng)有抑制作用，因而其催化效果有限?？傊F(xiàn)有光催化降解氨氮的技術(shù)均存在如下不足:(I)光催化劑不能有效利用太陽能中的可見光；(2)納米粒子難以回收利用；(3)芬頓降解需要使用過氧化氫，增加了成本；(4)光催化效率有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種鐵酸鉍或其碳復(fù)合材料的光催化脫氮方法，其能在多種波長的光照條件下實現(xiàn)對水體中氨氮的高效降解，且成本低廉，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0007]為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括:
[0008]一種鐵酸鉍或其碳復(fù)合材料的光催化脫氮方法，包括:至少在紫外光或/和可見光照射條件下，以鐵酸鉍和/或鐵酸鉍-碳復(fù)合材料作為光催化劑在堿性條件下直接催化氧化氨氮，實現(xiàn)水體中氨氮的脫除。
[0009]作為較為優(yōu)選的實施方案之一，該方法包括:在太陽光照射條件下，以鐵酸鉍和/或鐵酸鉍-碳復(fù)合材料作為光催化劑降解水體中的氨氮。
[0010]較為優(yōu)選的，該方法包括:在光催化反應(yīng)開始前，將所述水體調(diào)至呈堿性，尤其優(yōu)選的，將所述水體的PH值調(diào)節(jié)至9.5?10.5。
[0011]其中，用以將水體調(diào)節(jié)至呈堿性的堿性物質(zhì)可以選自但不限于NaOH、Na2CO3^NaHCO3 等。
[0012]進(jìn)一步的，所述鐵酸鉍具有R3C空間群結(jié)構(gòu)。
[0013]優(yōu)選的，所述鐵酸鉍或鐵酸鉍-碳復(fù)合材料的尺寸為10_35nm，尤其優(yōu)選為17-18nm。
[0014]進(jìn)一步的，所述鐵酸鉍-碳復(fù)合材料主要由鐵酸鉍和石墨烯組成，其中鐵酸鉍分布于石墨烯的片層結(jié)構(gòu)上，并且石墨烯的質(zhì)量為鐵酸鉍質(zhì)量的1_8%。
[0015]進(jìn)一步的，所述鐵酸鉍-碳復(fù)合材料主要由鐵酸鉍和活性炭組成，鐵酸鉍被活性炭包夾形成核-殼結(jié)構(gòu)，并且活性炭的質(zhì)量為鐵酸鉍質(zhì)量的1-8%。
[0016]較為優(yōu)選的，該方法還包括:在將水體中的氨氮充分降解放出氮?dú)夂螅捎么欧蛛x方式將鐵酸鉍和/或鐵酸鉍-碳復(fù)合材料從水體中分離出并重復(fù)使用。
[0017]進(jìn)一步的，利用該方法可以將水體中的氨氮降解至濃度低于15mg/L以下，達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括:
[0019]I)鐵酸鉍作為光催化劑，可在紫外光或可見光照射下，直接并且高效、快速地將水體中氨氮氧化為氮?dú)夥懦?，無需添加過氧化氫等氧化劑，從而降低了成本；并且鐵酸鉍可以通過外加磁場而與水體分離，可以重復(fù)循環(huán)使用，成本低廉，亦有利于環(huán)境保護(hù)；
[0020]2)進(jìn)一步的，通過將鐵酸鉍與氧化石墨烯、活性炭等對于太陽光、可見光具有強(qiáng)吸收能力的碳基材料復(fù)合，還可進(jìn)一步增強(qiáng)光催化劑對于太陽光、可見光的吸收，大幅提升其光催化效率，且同樣的，所獲的復(fù)合催化材料可以通過外加磁場而與水體分離，并可重復(fù)循環(huán)使用。
【附圖說明】
[0021]圖1是實施例1所獲鐵酸鉍的電鏡照片；
[0022]圖2是實施例2所獲石墨烯包裹鐵酸鉍復(fù)合催化劑的電鏡照片；
[0023]圖3是實施例3所獲鐵酸鉍-活性炭復(fù)合催化劑的電鏡照片。
【具體實施方式】
[0024]如前所述，鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和大量實踐，非常意外的發(fā)現(xiàn)，利用鐵酸鉍或以其為主體的復(fù)合材料作為催化劑，可以在紫外光或可見光的照射下，實現(xiàn)對于水體中氨氮的高效降解?；谶@一意外發(fā)現(xiàn)，本案發(fā)明人提出了本發(fā)明的技術(shù)方案，其主要如下:
[0025]一種鐵酸鉍或其碳復(fù)合材料的光催化脫氮方法，包括:至少在可見光照射，優(yōu)選在太陽光照射條件下，以鐵酸鉍和/或鐵酸鉍-碳復(fù)合材料作為光催化劑降解水體中的氨氮。
[0026]較為優(yōu)選的，可在光催化反應(yīng)開始前，將所述水體調(diào)至呈堿性，特別是將所述水體的PH值調(diào)節(jié)至9.5?10.5，然后進(jìn)行光催化降解反應(yīng)。
[0027]其中，所述鐵酸鉍-碳復(fù)合材料(亦稱“石墨烯雜化鐵酸鉍催化材料”)主要由鐵酸鉍和石墨烯組成，石墨烯的質(zhì)量優(yōu)選為鐵酸鉍質(zhì)量的1-8%。
[0028]當(dāng)以該石墨烯雜化鐵酸鉍催化材料作為光催化劑時，其可利用的光為可見光，而其對于水體中氨氮的降解速度較鐵酸鉍提升2倍以上，并可將水體中氨氮的濃度降低至15mg/L 以下。
[0029]進(jìn)一步的，所述鐵酸鉍-碳復(fù)合材料(亦稱“活性炭雜化鐵酸鉍催化材料”)主要由鐵酸鉍和活性炭組成，并且活性炭的質(zhì)量為鐵酸鉍質(zhì)量的1_8%。
[0030]當(dāng)以該活性炭雜化鐵酸鉍催化材料作為光催化劑時，其可利用的光為可見光，而其對于水體中氨氮的降解速度較鐵酸鉍提升2倍以上，并可將水體中氨氮的濃度降低至15mg/L以下,符合國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。
[0031]本發(fā)明中的鐵酸鉍可以用業(yè)界所知的任何方式制取，其優(yōu)選為粉體或顆粒狀，粒徑優(yōu)選為10-35nm，尤其優(yōu)選為17_18nm。
[0032]本發(fā)明中的鐵酸鉍-碳復(fù)合材料亦可參照用業(yè)界所知的合適方式制取，其優(yōu)選為粉體或顆粒狀，粒徑優(yōu)選為17-18nm。
[0033]作為本發(fā)明的一典型實施方案，可以將所述鐵酸鉍和/或鐵酸鉍-