一种含铜自掺杂单原子生物炭催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及生物炭制备和水处理，尤其涉及一种含铜自掺杂单原子生物炭催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、自1929年青霉素问世以来，抗生素已被大量和广泛应用于治疗细菌感染引起的人和动物的各种疾病，在畜牧养殖中也常作为饲料添加剂用于促进动物的生长或预防疾病。磺胺类抗生素（sas）是第一类被系统和广泛使用的兽用抗生素，当前被合成和使用的sas已高达150余种，其使用量约占全球抗生素总消费量的5.9%，成为世界上使用量最大的一类抗生素。在sas中，磺胺嘧啶是最知名和最广泛使用的代表之一，已应用于多种感染病症的治疗。然而，随着其广泛应用，磺胺嘧啶的滥用和不合理使用问题也逐渐浮现，给人类健康带来了潜在风险。磺胺嘧啶的不合理使用可能引发一系列不良反应，如过敏反应、肝肾功能损害等，给患者的健康带来威胁。因此，开发能有效针对磺胺嘧啶等sas的去除技术，已成为当前水处理和环境科学领域的研究热点。

2、sas具有稳定的化学结构和弱的生物降解性，自然衰减和传统的水处理技术并不能实现其完全去除。目前，已采用多种方法去除水体中的sas，例如吸附法、生物降解法和光降解等方法。其中，以过一硫酸盐作为氧化剂的高级氧化法在近年来受到了广泛关注，被视为一种高效且有前途的方法，用于去除水体中的sas。这类方法通过能量或材料活化过一硫酸盐来生成高活性自由基，如羟基自由基和硫酸根自由基，来攻击并分解难以降解的抗生素分子。在众多的活化过一硫酸盐方法中，生物炭具有原料来源广、易制备和生物相容性好等优点，其表面的含氧官能团、孔隙和缺陷结构等皆可活化过硫酸盐生成活性物种（自由基和非自由基）降解sas等新污染物，被认为是极具潜力的过硫酸盐异质催化剂。然而，原始生物炭较小的比表面积和较少的含氧官能团仍然限制了其活化效率。因此，已经开发了各种改性方法来增强生物炭活化过一硫酸盐（pms）的性能。传统负载金属的生物炭，尽管在一定程度上提升了催化活性或吸附性能，但其利用效率并不理想。这主要归因于金属颗粒的团聚和分散不均，导致活性位点不足，限制了生物炭的性能发挥。相比之下，生物炭单原子催化剂以其高效、高选择性和高稳定性的优势，引起了广泛关注。单原子催化剂通过将金属原子以原子级精度分散在生物炭上，最大化地利用了金属原子，从而显著提高了催化效率。然而，尽管单原子生物炭具有诸多优点，但如何简单、高效地合成这类催化剂仍是一个待解决的问题。目前，合成方法往往涉及复杂的步骤和高昂的成本，这不仅限制了单原子生物炭的规模化应用，也阻碍了其在实际环境中的推广。

3、因此，亟需筛选出一种简单、经济且高效的含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法，以便发展能够高效和可持续去除不同水体中sas的技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种含铜自掺杂单原子生物炭催化剂及其制备方法和应用，解决现有技术中含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法复杂且活化过一硫酸盐（pms）的性能较差的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了一种含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法，包括以下步骤：

3、提供原始生物炭材料；

4、通过原始生物炭材料对含铜水体中的铜离子进行吸附处理，得到吸附铜离子后的原始生物炭材料；

5、对吸附铜离子后的原始生物炭材料进行热解处理，得到含铜自掺杂单原子生物炭催化剂。

6、第二方面，本发明提供的一种含铜自掺杂单原子生物炭催化剂，该含铜自掺杂单原子生物炭催化剂通过本发明第一方面提供的含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法得到。

7、第三方面，本发明提供的一种含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的应用，该含铜自掺杂单原子生物炭催化剂应用于高效活化过一硫酸盐降解磺胺类抗生素。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

9、本发明通过原始生物炭材料吸附铜离子后热解制备含铜自掺杂单原子生物炭催化剂，被吸附固定至生物炭的过渡金属已成为生物炭自身的一部分，使得生物炭具备高效活化过一硫酸盐降解sas的高效去除的潜力，且生物炭较为稳定的物理化学性质也能够保证其活化过一硫酸盐降解sas后的快速回收，实现催化剂的循环利用，当水中存在的不同离子时或在较宽的ph范围内，均能做到较好的降解作用。此外，其具有较强的循环利用性能，在不同的实际水体中对磺胺类抗生素均能达到较好的降解效果。

技术特征：

1.一种含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述原始生物炭材料通过对生物质原料进行热解处理得到。

3.根据权利要求2所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述生物质原料为玉米芯、小麦秸秆、烟草秸秆、大豆秸秆、木屑、甘蔗渣、茶叶梗、水稻秸秆、玉米秸秆、污水污泥中的至少一种。

4. 根据权利要求2所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述对生物质原料进行热解处理的过程中，升温速率为5-20℃/min，于400-800 ℃条件下持续热解60-120 min，热解气氛为氮气气氛，氮气流速0.2-0.6 l/min。

5.根据权利要求1所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述含铜水体为经过滤处理后的畜牧业养殖废水。

6. 根据权利要求1所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述吸附处理的过程中，含铜水体中铜离子的浓度为5-200 mg/l；所述原始生物炭材料与含铜水体的用量比为0.05-1 g：100ml；吸附温度为10-35℃，吸附时间为6-48 h；吸附过程在震动培养箱中进行，震荡培养箱的转速为100 rpm-200 rpm。

7. 根据权利要求1所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述对吸附铜离子后的原始生物炭材料进行热解处理的过程中，升温速率为5-20 ℃/min，于400-800 ℃条件下持续热解60-120 min，热解气氛为氮气气氛，氮气流速0.2-0.6 l/min。

8.一种含铜自掺杂单原子生物炭催化剂，其特征在于，所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂通过权利要求1-7中任一项所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的制备方法得到。

9.一种如权利要求8所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的应用，其特征在于，所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂应用于高效活化过一硫酸盐降解磺胺类抗生素。

10. 根据权利要求9所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的应用，其特征在于，所述磺胺类抗生素为磺胺嘧啶、磺胺甲氧嗪、磺胺醋酰、磺胺多辛、磺胺噻唑中的至少一种；降解体系中，所述磺胺类抗生素的浓度为0.1-15 mg/l，所述过一硫酸盐的浓度为0.1-5 mmol/l，所述含铜自掺杂单原子生物炭催化剂的投加量为0.1-0.8 g/l，体系ph为3-11。

技术总结
本发明公开了一种含铜自掺杂单原子生物炭催化剂及其制备方法和应用。本发明通过原始生物炭材料吸附铜离子后热解制备含铜自掺杂单原子生物炭催化剂，被吸附固定至生物炭的过渡金属已成为生物炭自身的一部分，使得生物炭具备高效活化过一硫酸盐降解SAs的高效去除的潜力，且生物炭较为稳定的物理化学性质也能够保证其活化过一硫酸盐降解SAs后的快速回收，实现催化剂的循环利用，当水中存在的不同离子时或在较宽的pH范围内，均能做到较好的降解作用。此外，其具有较强的循环利用性能，在不同的实际水体中对磺胺类抗生素均能达到较好的降解效果。

技术研发人员：张祖麟,刘亦凡,马永飞,邓志康,曾晨钰,周宇生,母芮
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/9