1.本发明涉及污水处理技术领域，具体而言，本发明涉及一种去除水中布洛芬的方法。
背景技术：2.抗生素是目前全球使用最广泛的药物之一。抗生素进入机体后并不能被生物体完全吸收，绝大部分以原形或衍生物形态排出体外，排出体外的抗生素中的大部分最终进入水体。水体中的抗生素会影响微生物种群数量，水生生物、动植物的种群结构，诱导细菌产生耐药性，生物体内富集的抗生素经食物链进入人体，严重影响人类健康。
3.目前，水体中抗生素的传统去除方法包括物理吸附、膜分离、生物法等，但这些方法难以将抗生素彻底矿化降解。近年来，通过原位生成高活性氧化物将废水中的抗生素分子降解为无毒无害的二氧化碳、水和无机盐的高级氧化技术迅速发展，例如芬顿氧化法。但是，芬顿氧化法存在催化效率低、催化条件为酸性环境、重复利用率低、二次污染等缺陷。因此开发高效、可重复利用、ph适用范围广的高级氧化技术用于抗生素废水治理至关重要。
技术实现要素：4.本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：芬顿氧化法存在以下缺陷：(1)反应过程中，要严格控制反应液为酸性环境(ph＝2-3)，导致设备腐蚀；(2)催化 h2o2分解的fe(ii)的还原再生速率慢，催化效率低；(3)随着反应液ph值升高，铁离子水解生成大量铁泥沉淀，造成二次污染；(4)均相亚铁离子催化剂易流失，难以重复利用。因此开发高效、可重复利用、ph适用范围广的高级氧化技术用于抗生素废水治理至关重要。
5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种去除水中布洛芬的方法。该方法采用cufe双金属单原子催化剂催化降解水中的布洛芬，降解效率高，催化剂可重复利用，设备腐蚀小，工艺简单，成本低，是一种快速、高效、简便的去除水中布洛芬的方法。
6.本发明实施例的去除水中布洛芬的方法，包括：
7.(1)将cufe双金属单原子催化剂加入布洛芬溶液中，得到混合溶液；
8.(2)调节所述步骤(1)得到的混合溶液的ph值至碱性，加入氧化剂，反应。
9.根据本发明实施例的去除水中布洛芬的方法带来的优点和技术效果：本发明实施例的方法，使用cufe双金属单原子催化剂催化氧化剂氧化降解水中的布洛芬。传统芬顿氧化反应中，fe(ii)通过单电子转移机理催化h2o2分解产生高活性
·
oh，同时fe(ii)被氧化为fe(iii)；h2o2还原fe(iii)为fe(ii)的速率慢，是芬顿反应的速控步。本发明中使用cufe双金属单原子催化剂，通过引入cu(i)位点，利用cu(i)加速fe(iii)还原，提高fe(ii)的还原再生速率，强化芬顿氧化反应效率，加快布洛芬降解速率，反应20min后，布洛芬去除率可达95％以上；；所述降解在碱性条件下进行，不需要控制水体为酸性环境，避免了设备腐蚀；随着反应液ph值升高，由于cufe双金属单原子催化剂中铜离子、铁离子同氮化碳载体中的吡
啶氮或吡咯氮原子配位，形成稳定的单原子配位中心，使得铜离子、铁离子牢固“锚定”在氮化碳载体表面，因此抑制了碱性条件下铜离子、铁离子的水解和流失；反应结束后，通过简单过滤、洗涤、干燥等工序即可实现cufe双金属单原子催化剂的重复利用。本发明实施例的方法，工艺简单，成本低，是一种快速、高效、简便的去除水中布洛芬的方法。
10.本发明实施例的方法，使用cufe双金属单原子催化剂催化氧化剂氧化降解水中的布洛芬，双金属单原子催化剂相对于单金属单原子催化剂产生了：(1)几何结构效应，即第二金属组分的引入会改变原单一金属组分活性位点的几何结构；(2)电子结构效应，即随着第二金属组分的引入，两种金属之间会发生电子转移，改变原单一金属组分活性位点的电子结构；(3)协同效应，即与单金属催化剂相比，双金属催化剂中两种金属组分均会参与反应中间产物或过渡态的化学键合，改变反应历程，提高反应速率和选择性；(4)稳定效应，即第二金属组分的引入能够阻止原单一金属组分纳米颗粒的迁移和团聚，或者抑制积碳等副反应的发生，提高催化剂稳定性。
11.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂为氮化碳负载的 cufe双金属单原子催化剂。
12.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂的制备方法，包括：
13.(a)将含氮有机物与可溶性铜盐以及可溶性铁盐溶解在溶剂中，得到混合物；
14.(b)将步骤(a)得到的混合物焙烧，制得氮化碳负载的cufe双金属单原子催化剂。
15.在一些实施例中，所述步骤(a)中，所述含氮有机物包括单氰胺、尿素、壳聚糖、2
‑ꢀ
甲基咪唑中的至少一种。
16.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂中cu元素的含量为0.1wt％～15wt％，fe元素的含量为0.1wt％～15wt％。
17.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂中cu和fe的原子比为1:100～100:1，优选为1:10～10:1。
18.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂的用量为0.01～ 500mg
·
l-1
。
19.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述布洛芬溶液的浓度为0.01～100mg
·
l-1
。
20.在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述氧化剂为h2o2，h2o2的浓度为0.5～30wt％。
21.在一些实施例中，所述步骤(2)中，调节所述步骤(1)得到的混合溶液的ph值为 7.5～14。
附图说明
22.图1是实施例4中水中布洛芬浓度随反应时间的变化曲线。
23.图2是实施例4中催化剂的球差校正透射电镜图。
具体实施方式
24.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
25.本发明实施例的去除水中布洛芬的方法，包括：
26.(1)将cufe双金属单原子催化剂加入布洛芬溶液中，得到混合溶液；
27.(2)调节所述步骤(1)得到的混合溶液的ph值至碱性，加入氧化剂，反应。
28.根据本发明实施例的一种去除水中布洛芬的方法带来的优点和技术效果：本发明实施例的方法，使用cufe双金属单原子催化剂催化氧化剂氧化降解水中的布洛芬。传统芬顿氧化反应中，fe(ii)通过单电子转移机理催化h2o2分解产生高活性
·
oh，同时fe(ii)被氧化为 fe(iii)；h2o2还原fe(iii)为fe(ii)的速率慢，是芬顿反应的速控步。本发明中使用cufe双金属单原子催化剂，通过引入cu(i)位点，利用cu(i)加速fe(iii)还原，提高fe(ii)的还原再生速率，强化芬顿氧化反应效率，加快布洛芬降解速率，反应20min后，布洛芬去除率可达95％以上；；所述降解在碱性条件下进行，不需要控制水体为酸性环境，避免了设备腐蚀；随着反应液ph值升高，由于cufe双金属单原子催化剂中铜离子、铁离子同氮化碳载体中的吡啶氮或吡咯氮原子配位，形成稳定的单原子配位中心，使得铜离子、铁离子牢固“锚定”在氮化碳载体表面，因此抑制了碱性条件下铜离子、铁离子的水解和流失；反应结束后，通过简单过滤、洗涤、干燥等工序即可实现cufe双金属单原子催化剂的重复利用。本发明实施例的方法，工艺简单，成本低，是一种快速、高效、简便的去除水中布洛芬的方法。
29.本发明实施例的方法，使用cufe双金属单原子催化剂催化氧化剂氧化降解水中的布洛芬，双金属单原子催化剂相对于单金属单原子催化剂产生了：(1)几何结构效应，即第二金属组分的引入会改变原单一金属组分活性位点的几何结构；(2)电子结构效应，即随着第二金属组分的引入，两种金属之间会发生电子转移，改变原单一金属组分活性位点的电子结构；(3)协同效应，即与单金属催化剂相比，双金属催化剂中两种金属组分均会参与反应中间产物或过渡态的化学键合，改变反应历程，提高反应速率和选择性；(4)稳定效应，即第二金属组分的引入能够阻止原单一金属组分纳米颗粒的迁移和团聚，或者抑制积碳等副反应的发生，提高催化剂稳定性。
30.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂为氮化碳负载的 cufe双金属单原子催化剂。所述cufe双金属单原子催化剂的制备方法，包括：
31.(a)将含氮有机物与可溶性铜盐以及可溶性铁盐溶解在溶剂中，得到混合物；
32.(b)将步骤(a)得到的混合物焙烧，制得氮化碳负载的cufe双金属单原子催化剂。优选地，所述溶剂为水。本发明实施例的方法，首先将含氮有机物与两种可溶性金属盐进行溶解混合均匀，得到前驱体溶液，然后前驱体溶液经高温焙烧使含氮有机物与两种金属离子发生配位和缩合，原位生成氮化碳负载的cufe双金属单原子催化剂，cufe单原子在氮化碳载体上呈均匀分布，cufe单原子之间呈随机分布。该方法工艺简单、成本低、易于实施。制备得到的催化剂金属负载量高、活性高、稳定性好。
33.在一些实施例中，所述步骤(a)中，所述含氮有机物包括单氰胺、尿素、壳聚糖、2
‑ꢀ
甲基咪唑中的至少一种。本发明实施例中，采用特定的含氮有机物，能够提高催化剂载体中氮元素的含量，从而提高与铜离子、铁离子配位的吡啶氮或吡咯氮的配位数，增加cu、 fe单原子活性位数量和密度，从而提高单位质量氮化碳负载的cufe双金属单原子催化剂的活性。
34.在一些实施例中，所述步骤(a)中，所述可溶性铜盐为硝酸铜、硫酸铜、氯化铜、氯化亚铜、乙酸铜、乙酰丙酮铜中的至少一种；所述可溶性铁盐为硝酸铁、硫酸亚铁、氯化铁、氯化亚铁、乙酰丙酮铁中的至少一种。本发明实施例的方法，对可溶性铜盐或者铁盐的种类
没有特别限制。
35.在一些实施例中，所述步骤(a)中，所述含氮有机物、所述可溶性铜盐、所述可溶性铁盐的重量比为10～50:1～5:1～5。本发明实施例中，优选了含氮有机物、可溶性铜盐、可溶性铁盐的重量比，如果含氮有机物加入过少，会导致与铜离子、铁离子配位的氮原子数量不足，使得铜与铁单原子发生团聚，形成纳米粒子，降低催化剂中单原子活性位点数目；如果含氮有机物加入过多，会导致配位氮原子的数目远多于cu、fe单原子的数目，产生过多非配位的吡啶氮或吡咯氮，降低了单位质量催化剂中cu、fe单原子活性位数量，不利于催化剂活性的提高。
36.在一些实施例中，所述步骤(b)中，所述焙烧气氛为空气气氛。
37.在一些实施例中，所述步骤(b)中，所述焙烧的温度为400～1000℃，优选为500～ 700℃；焙烧的时间为1～50h，优选为5～10h；焙烧的升温速率为1～20℃min-1
，优选为5～15℃min-1
。本发明实施例中，如果升温速率过快，会导致有机前驱体组分聚合不完全、挥发性损失较大，催化剂制备收率较低；如果升温速率过慢，会导致催化剂载体过于致密，孔隙率较低，暴露的活性位点大幅减少。
38.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂中cu元素的含量为0.1wt％～15wt％，fe元素的含量为0.1wt％～15wt％；所述cufe双金属单原子催化剂中cu和fe的原子比为1:100～100:1，优选为1:10～10:1。本发明实施例中，氮化碳负载的双金属单原子催化剂金属负载量高且金属元素的原子比可调整，有利于提高催化剂的催化性能。
39.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂的用量为0.01～ 500mg
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l-1
，优选为20-150mg
·
l-1
。本发明实施例中，催化剂的用量较小，催化降解效率高，成本较低。
40.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述布洛芬溶液的浓度为0.01～100mg
·
l-1
，优选为0.01～10mg
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l-1
。本发明实施例中，可有效去除水体中的布洛芬。
41.在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述氧化剂为h2o2，h2o2的浓度为0.5～30wt％。本发明实施例中，氧化剂为h2o2，h2o2通过cufe双金属单原子催化剂活化后产生高活性羟基自由基；羟基自由基氧化电位高达2.8v，电子亲和能高达569.3kj mol-1
，可以将废水中的布洛芬彻底氧化降解；羟基自由基与布洛芬的反应速率常数接近扩散速率控制极限 (110l mol-1
s-1
)；另外，h2o2使用过程中的产物只有h2o和o2，不引入二次污染物，是一种绿色环保的低成本氧化剂。
42.在一些实施例中，所述步骤(2)中，调节所述步骤(1)得到的混合溶液的ph值为 7.5～14。本发明实施例中，拓宽了布洛芬氧化降解的水体处理范围，例如可以处理含有布洛芬的碱性废水，可以在较宽ph值范围内降解布洛芬，不需要控制反应液为酸性环境，避免了设备腐蚀。
43.在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述反应温度在25～90℃之间。本发明实施例中，布洛芬的催化氧化降解可以在常温下进行，有利于含布洛芬水体的原位处理，工艺简单，操作简便。
44.下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
45.实施例1
46.将2g尿素加入含10g单氰胺的溶液中，搅拌5h，混合均匀；加入0.14g二水合氯化铜和1.6g九水合硝酸铁，继续搅拌，混合均匀；转入多个15ml玻璃瓶中，用铝箔纸封口，放入马弗炉内，按照15℃min-1
的升温速率升至600℃，恒温8h。冷至室温后得到cufe 双金属单原子催化剂，记作cufe-c3n4。cufe-c3n4催化剂中cu元素含量为0.5wt％，fe 元素含量为5wt％。
47.将5mg cufe-c3n4催化剂和200ml 5mg
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布洛芬溶液混合，搅拌60min，至布洛芬达到吸附平衡；调节反应体系ph值至9.5，加入2ml 30％h2o2作为氧化剂，开始计时反应；通过hplc检测反应液中布洛芬浓度变化；反应20min后布洛芬去除率超过64％，反应120min后，布洛芬去除率超过92％。
48.实施例2
49.将3g 2-甲基咪唑加入含10g尿素的溶液中，搅拌2h，混合均匀；加入1.4g二水合氯化铜和2.1g九水合硝酸铁，继续搅拌，混合均匀；转入多个15ml玻璃瓶中，用铝箔纸封口，放入马弗炉内，按照5℃min-1
的升温速率升至500℃，恒温10h。冷至室温后得到 cufe双金属单原子催化剂，记作cufe-c3n4。cufe-c3n4催化剂中cu元素含量为6wt％， fe元素含量为8wt％。
50.将10mg cufe-c3n4催化剂和200ml 2mg
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布洛芬溶液混合，搅拌30min，至布洛芬达到吸附平衡；调节反应体系ph值至8.5，加入5ml 30％h2o2作为氧化剂，开始计时反应；通过hplc检测反应液中布洛芬浓度变化；反应20min后布洛芬去除率超过79％，反应120min后，布洛芬去除率超过90％。
51.实施例3
52.将4g壳聚糖加入含8g 2-甲基咪唑的溶液中，搅拌3h，混合均匀；加入1.8g二水合氯化铜和0.3g九水合硝酸铁，继续搅拌，混合均匀；转入多个15ml玻璃瓶中，用铝箔纸封口，放入马弗炉内，按照10℃min-1
的升温速率升至650℃，恒温6h。冷至室温后得到 cufe双金属单原子催化剂，记作cufe-c3n4。cufe-c3n4催化剂中cu元素含量为10wt％， fe元素含量为2wt％。
53.将30mg cufe-c3n4催化剂和200ml 10mg
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布洛芬溶液混合，搅拌30min，至布洛芬达到吸附平衡；调节反应体系ph值至7.5，加入8ml 30％h2o2作为氧化剂，开始计时反应；通过hplc检测反应液中布洛芬浓度变化；反应20min后布洛芬去除率超过69％，反应120min后，布洛芬去除率超过93％。
54.实施例4
55.将3g 2-甲基咪唑在加入含12g单氰胺的溶液中，搅拌1h，混合均匀；加入2.6g二水合氯化铜和3.2g九水合硝酸铁，继续搅拌，混合均匀；转入多个15ml玻璃瓶中，用铝箔纸封口，放入马弗炉内，按照10℃min-1
的升温速率升至500℃，恒温5h。冷至室温后得到cufe双金属单原子催化剂，记作cufe-c3n4。cufe-c3n4催化剂中cu元素含量为15 wt％，fe元素含量为15wt％。
56.图2是制备得到的催化剂的球差校正透射电镜图，证明高负载量下催化剂仍处于单原子分散状态。
57.将20mg cufe-c3n4催化剂和200ml 10mg
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布洛芬溶液混合，搅拌30min，至布洛芬达到吸附平衡；调节反应体系ph值至13.5，加入5ml 30％h2o2作为氧化剂，开始计时反应；
通过hplc检测反应液中布洛芬浓度变化(如图1所示)；反应20min后布洛芬去除率超过95％，反应60min后布洛芬去除率接近100％。
58.对比例1
59.与实施例1的方法相同，不同之处在于采用的含氮有机物为12g三聚氰胺。
60.对比例1制得的催化剂xrd谱图中检测到cu、fe元素金属态、氧化物、碳化物等衍射峰，间接证明所得cufe双金属催化剂不是单原子催化剂。
61.采用对比例1制得的催化剂对实施例1中的布洛芬废水处理后，布洛芬去除率在反应 20min后仅为39％，反应120min后仅为58％。
62.对比例2
63.与实施例1的方法相同，不同之处在于采用的含氮有机物为12g密勒胺。
64.对比例2制得的催化剂xrd谱图中检测到cu、fe元素金属态、氧化物、碳化物等衍射峰，间接证明所得cufe双金属催化剂不是单原子催化剂。
65.采用对比例2制得的催化剂对实施例1中的布洛芬废水处理后，布洛芬去除率在反应 20min后仅为37％，反应120min后仅为55％。
66.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
67.尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。
技术特征：1.一种去除水中布洛芬的方法，其特征在于，包括：(1)将cufe双金属单原子催化剂加入布洛芬溶液中，得到混合溶液；(2)调节所述步骤(1)得到的混合溶液的ph值至碱性，加入氧化剂，反应。2.根据权利要求1所述的去除水中布洛芬的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂为氮化碳负载的cufe双金属单原子催化剂。3.根据权利要求1或2所述的去除水中布洛芬的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂的制备方法，包括：(a)将含氮有机物与可溶性铜盐以及可溶性铁盐溶解在溶剂中，得到混合物；(b)将步骤(a)得到的混合物焙烧，制得氮化碳负载的cufe双金属单原子催化剂。4.根据权利要求3所述的去除水中布洛芬的方法，其特征在于，所述步骤(a)中，所述含氮有机物包括单氰胺、尿素、壳聚糖、2-甲基咪唑中的至少一种。5.根据权利要求1所述的去除水中布洛芬的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂中cu元素的含量为0.1wt％～15wt％，fe元素的含量为0.1wt％～15wt％。6.根据权利要求1所述的去除水中布洛芬的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂中cu和fe的原子比为1:100～100:1，优选为1:10～10:1。7.根据权利要求1所述的去除水中布洛芬的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述cufe双金属单原子催化剂的用量为0.01～500mg
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。8.根据权利要求1所述的去除水中布洛芬的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述布洛芬溶液的浓度为0.01～100mg
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。9.根据权利要求1所述的去除水中布洛芬的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述氧化剂为h2o2，h2o2的浓度为0.5～30wt％。10.根据权利要求1所述的去除水中布洛芬的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，调节所述步骤(1)得到的混合溶液的ph值为7.5～14。
技术总结本发明公开了一种去除水中布洛芬的方法，包括：(1)将CuFe双金属单原子催化剂加入布洛芬溶液中，得到混合溶液；(2)调节所述步骤(1)得到的混合溶液的pH值至碱性，加入氧化剂，反应。本发明的方法使用CuFe双金属单原子催化剂催化降解水中的布洛芬，降解效率高，催化剂可重复利用，设备腐蚀小，工艺简单，成本低，是一种快速、高效、简便的去除水中布洛芬的方法。简便的去除水中布洛芬的方法。简便的去除水中布洛芬的方法。
技术研发人员：韩军兴 何灿 宫晨皓 任晓晶 张健 何沛然 张忠国
受保护的技术使用者：北京市科学技术研究院资源环境研究所
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/12/5
