一种Fe-N-C气凝胶的制备方法和应用与流程

本申请涉及一种fe-n-c气凝胶的制备方法和应用，属于含氮化合物催化剂。

背景技术：

1、随着人口的不断增长，农业与工业等领域用水需求增加，水环境污染、水生态损害等问题已经成为制约社会高质量发展、可持续发展的关键因素之一。国民经济和社会发展相关目标建议明确提出“重视新污染物治理”的理念。深入打好污染防治攻坚战，推动生态环境高水平保护，新污染物治理不能缺席。相关新污染物治理行动方案明确了新污染物不同于常规污染物的特殊性，该类新污染物是新近发现或被关注，对生态环境或人体健康存在风险，尚未纳入管理或者现有管理措施不足以有效防控其风险的污染物。药品和个人护理用品（pharmaceuticals and personal care products，ppcps）是日常生活中接触到最多的新污染物。ppcps广泛应用于人类医疗、化妆品、保健品、水产和畜牧养殖等行业。全世界每年消耗约30亿吨ppcps，大量 ppcps 的使用，导致其不可避免地、持续性地进入水环境，多个地表水和地下水中均能检测出多种 ppcps，浓度达到ng/l-μg/l水平，这对人类健康和生态环境存在潜在的风险，ppcps污染已引起社会的广泛重视。

2、高级氧化工艺（advanced oxidation processes，aops）是一种通过能量辐射、过渡金属、碳质材料等方式活化含有过氧键的氧化剂，使其快速产生强氧化性物种，达到将水中有机污染物和病原微生物高效降解与灭活的新型化学除污技术。目前基于双氧水、臭氧、过硫酸盐的高级氧化工艺在污水处理、饮用水处理、土壤修复等领域均有工程实例，但催化效率低、处理周期长、二次污染明显等缺陷制约了其进一步推广。而针对非均相高级氧化工艺的探索与优化能够有效克服以上缺陷，并有助于扩大高级氧化工艺的应用范围。fe-n-c是一种具有多型活性配体单元（fe-n6、fe-n4、fe-n2）的新型催化剂，能够高效活化多种氧化剂使其产生活性物种。相较于传统零价铁或铁氧化物，fe-n-c的稳定性极强，能够承受酸性氧化剂的腐蚀，避免金属离子溶出到待处理水体中引起的二次污染。然而fe-n-c的催化活性相对于零价铁或铁氧化物却较低，且活化氧化剂产生的活性物种单一，对有机污染物具有较强的选择性，只能用于针对性去除某几类特殊有机物。此外，不同于其他铁基催化剂，fe-n-c并不具有磁性，粉体状态的fe-n-c在用于水处理时难以分离回收，泄漏到环境中的fe-n-c纳米颗粒稳定性强，也对水生动植物具有潜在威胁。因此针对fe-n-c催化剂催化活性的强化以及环境友好性方面的优化与改良依然是行业的痛点与需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供一种fe-n-c气凝胶的制备方法，该fe-n-c气凝胶催化能力强，活性位点丰富，循环利用性好。

2、具体地，本申请是通过以下方案实现的：

3、一种fe-n-c气凝胶的制备方法，步骤如下：

4、步骤一，去离子水中加入三聚氰胺和甲醛形成混合浊液，混合浊液加热搅拌至澄清；

5、步骤二，冷却至室温，调节ph至酸性，加入无水氯化亚铁，搅拌反应至固体完全溶解，加热陈化至溶液完全凝胶；

6、步骤三，凝胶冷冻干燥后，置于管式炉中于氮气氛围中煅烧毕，自然冷却，取出，用盐酸反复浸泡洗净抽滤，刻蚀掉零价铁或铁氧化物，即得到具有双限域效应的fe-n-c气凝胶。

7、上述方案首先合成铁掺杂的三聚氰胺甲醛树脂，再将铁掺杂的三聚氰胺甲醛树脂在氮气氛围中高温煅烧即可得到fe-n-c气凝胶，其气凝胶形态克服了粉体催化剂易流失的缺点，并能够通过改变铸造容器转变为各种形状，拓宽了fe-n-c的应用场景。

8、进一步地，作为优选：

9、步骤一中，

10、所述三聚氰胺和甲醛的摩尔比为1:3~4，并优选为1:3.7。

11、所述混合浊液中固体浓度为4~6 wt%，并优选为5 wt%。

12、所述加热搅拌的温度为60~80 ℃，并优选为70℃。

13、步骤二中，

14、调节ph采用盐酸、硝酸、硫酸中任意一种，并优选为盐酸。

15、所述ph调节为1.6~1.8。

16、无水氯化亚铁相对甲醛的用量为0.025~0.1 g/ml，并优选为0.05 g/ml。

17、陈化温度为80~105 ℃，并优选为95℃。

18、步骤三中，煅烧温度为780~920 ℃，煅烧时长为3~8 h。更优选的，煅烧温度为850℃，煅烧时长为3 h。温度由室温升至煅烧温度，升温速率3~6 ℃/min。

19、将上述方法制备的fe-n-c气凝胶作为催化剂浸泡在含有过硫酸盐和ppcps的溶液中，即可活化过硫酸盐、达成对水体中包括以药物和个人护理品在内的各种有毒有害的难降解有机微污染物ppcps的高效去除。

20、上述去除过程中，控制溶液温度为15~45 ℃。

21、所述ppcps包括药物与个人护理品，具体地，包括各类抗生素、人工合成麝香、止痛药、降压药、避孕药、催眠药、减肥药、发胶、染发剂和杀菌剂等。具体的，ppcps包含了硝基苯、苯甲酸、对羟基苯甲酸、苯酚、苯胺、双酚a中的任一种或多种。

22、上述气凝胶的应用中，将该fe-n-c气凝胶浸泡在含有过硫酸盐和ppcps的溶液，即可达成对水体中ppcps的高效去除。本发明提出的fe-n-c气凝胶催化能力强，活性位点丰富，循环利用性好，能够活化过硫酸盐氧化去除包括以药物和个人护理品在内的各种有毒有害的难降解有机微污染物。此外，气凝胶形态克服了粉体催化剂易流失的缺点并能够通过改变铸造容器转变为各种形状，拓宽了fe-n-c的应用场景。

技术特征：

1.一种fe-n-c气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种fe-n-c气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述三聚氰胺和甲醛的摩尔比为1:3~4。

3. 根据权利要求1所述的一种fe-n-c气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述混合浊液中固体浓度为4~6 wt%。

4. 根据权利要求1所述的一种fe-n-c气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述加热搅拌的温度为60~80 ℃。

5.根据权利要求1所述的一种fe-n-c气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤二中，调节ph采用盐酸、硝酸、硫酸中任意一种，将ph调节至1.6~1.8。

6. 根据权利要求1所述的一种fe-n-c气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤二中，陈化温度为80~105 ℃。

7. 根据权利要求1所述的一种fe-n-c气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤二中，无水氯化亚铁相对甲醛的用量为0.025~0.1 g/ml。

8. 根据权利要求1所述的一种fe-n-c气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤三中，煅烧温度为780~920 ℃，煅烧时长为3~8 h。

9. 一种权利要求1所述方法制备的fe-n-c气凝胶的应用，其特征在于：fe-n-c气凝胶作为催化剂浸泡在含有过硫酸盐和ppcps的溶液中，控制溶液温度为15~45 ℃，活化过硫酸盐、去除ppcps。

10.根据权利要求9所述的fe-n-c气凝胶的应用，其特征在于：所述ppcps为硝基苯、苯甲酸、对羟基苯甲酸、苯酚、苯胺、双酚a中的一种或一种以上。

技术总结本申请提供一种Fe‑N‑C气凝胶的制备方法和应用，属于含氮化合物催化剂技术领域。去离子水中加入三聚氰胺和甲醛形成混合浊液，混合浊液加热搅拌至澄清；冷却至室温，调节pH至酸性，加入无水氯化亚铁，搅拌反应至固体完全溶解，加热陈化至溶液完全凝胶；凝胶冷冻干燥后，置于管式炉中于氮气氛围中煅烧毕，自然冷却，取出，用盐酸反复浸泡洗净抽滤，即得到具备双限域效应的Fe‑N‑C气凝胶。Fe‑N‑C气凝胶催化能力强，活性位点丰富，循环利用性好，克服了粉体催化剂易流失的缺点并能够通过改变铸造容器转变为各种形状，拓宽了Fe‑N‑C的应用场景。技术研发人员：王志君,朱勇,傅卫江,曾寒轩,黄榧,张睿阳,朱昕阳,吴振宇受保护的技术使用者：同创工程设计有限公司技术研发日：技术公布日：2025/1/6