基本信息
- 项目名称：
- 新型可重复利用的降解工业染料废水催化剂
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本研究中，使用便宜易得的原料合成出Cu（II）配合物前驱体，利用水热合成法将配合物与硫源通过一步反应，制备出了三维雪花状结构的Cu2S微米晶。将制得的具有特殊结构的材料应用于以双氧水为辅助，高浓度亚甲基蓝、罗丹明B等模拟工业废水的催化降解中。结果证明此类催化剂具有较高的催化效率和可重复性，可用于工业实际应用。
- 详细介绍：
- 作品撰写目的： 当今社会中随着化学工业和印染工业的发展，其生产废水已成为主要的水体污染源。目前染料已有成千上万种之多，它们不但具有特定的颜色，而且结构复杂，其中以高分子络合物为多，生物降解性较低，大多具有潜在毒性，严重影响现代社会环境和现代人身体健康。在现今社会中存在着多种多样的处理有机染料废水的方法，但或多或少都存在这样和那样的缺陷与不足。找到一种具有高效、成本低廉、无二次污染、适用于当前世界印染工业发展现状的处理工业有机废水污染的方式成为迫切的需要。 对于废水中的难降解有机污染物, 往往采用化学氧化的方法将有机污染物氧化降解, 最终实现消除其危害的目标。氧化方法尤其适用于有机污染物浓度较低、缺乏回收利用价值的情况。 Cu2S是一种p型半导体光电材料，已经应用于太阳能电池领域，在激光、发光二极管和生物传感器等领域也有着巨大的应用潜能，但尚未发现将其利用于催化降解工业废水的报道。迄今为止，材料科学家已经发展了许多合成方法来制备特征形貌的Cu2S半导体材料，如水热合成法、溶剂热合成法、高温注射合成法等。然而，这些方法操作比较复杂、需要多步反应。因此，发展一种操作安全、设备要求简单而原料来源广泛的方法来合成特征形貌Cu2S半导体材料具有非常重要的理论和实践意义。 而利用Cu2S作为催化剂，在少量H2O2辅助下，快速催化降解高浓度亚甲基蓝工业废水则是一大创新。因此，探究将制得的Cu2S用于工业废水的催化降解中，有重要的科学研究和应用价值。 作品撰写的基本思路： 本作品首先介绍当今工业发展的现状及其对环境的影响，尤其是印染行业产生的有机废水给环境带来了巨大的危害，如何改变这一现状，找出一种简单实用的处理高浓度有机废水的方法，是本作品主要探究的方向。 Cu2S作为一种高性能的半导体光电材料，已应用于各个领域。是否能够找到一种简单的方法合成出具有特殊的形貌结构特征和优良性能的Cu2S晶体材料，并对其各种性能尤其是催化能力进行探究，也是本作品主要探究的重点。基本研究方案如下： 1） 运用简单的化学方法合成Cu(II)配合物前驱体，再将其与硫源通过一步简单反应制备雪花状Cu2S微米晶。 2） 通过扫描电子显微镜确定粉末状的硫化亚铜微米晶体材料的形貌、结构和组成，晶体厚度为1-3 μm的雪花状，X-射线粉末衍射和X-射线光电子能谱进一步证实了其结构与组成。 3） 将其应用到催化以双氧水为辅助的降解高浓度亚甲基蓝、罗丹明B等工业废水的过程中，通过UV测试其不同时段的降解率和最终的降解率，发现具有较高的降解率和较短的催化降解时间。 4） 通过连续七次的重复性降解实验，发现亚甲基蓝仍具有较高的降解率，从而了解到所制得的Cu2S微米晶体材料是一类具有优良性能的高效可重复利用催化剂。利用Cu2S催化双氧水降解有机染料是一种高效、经济的处理工业有机染料废水的方法。 作品的科学性、先进性： 从选材上而言，选用简单铜配合物作为制备硫化亚铜催化剂微米晶体的材料，并用水热合成法制备出了具有三维结构的微米晶体材料，通过扫描电子显微镜确定粉末状的硫化亚铜微米晶体材料的形貌、结构和组成，X-射线粉末衍射和X-射线光电子能谱进一步证实。所用材料都测试了对高浓度工业染料废水亚甲基蓝、甲基橙、罗丹明B的催化脱色，其中对于浓度为100 mg/L 亚甲基蓝的在1个小时内催化效率94%以上。结果证明此类催化剂可应用于工业实际中。 作品的独特之处： 1） 本作品中制备催化剂所选用材料价格低廉、简单易得、来源广泛，有效的降低了催化剂的制备成本，适合于现代化的工业生产。 2） 制得的催化剂硫化亚铜微米晶体材料具有较好的结构和形貌，催化反应时间短，催化效率高，可重复利用性，不易氧化失效，易于保存等特点。 3） 废水处理方法用于处理染料废水适应性强，常温下即可进行，无需采用任何光源即可进行，简化设备，方便操作。 4） 氧化剂双氧水简单易得、价格低廉，可自动降解，不会产生二次污染。 5） 选择了合适的条件利用简单易得的配合物合成出了不同结构构型的硫化亚铜材料。 6） 设计出了合理的工艺流程实现该催化剂对工业废水的循环催化。 具体参数如下图所示： 图 1 利用配合物制备的Cu2S的SEM照片 图2 利用配合物制备的Cu2S的XRD图谱 图 3 利用配合物制备的Cu2S的催化活性数据（亚甲基蓝） 作品的实际应用价值： 由于当今的中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。并且随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、污水回用行业处于同等重要地位。 近年来，政府采取了积极的财政政策，加大了包括城市供排水在内的基础设施建设，使我国的城市供排水特别是污水处理设施的建设得到了快速发展，城市供水水平和污水处理能力都有了较大幅度的提高和增长。 截止2009年底，全国已建成城镇污水处理厂1993座，总处理能力超过1亿立方米/日；在建城镇污水处理项目2360个，可新增污水处理能力约为6400万立方米/日，“十一五”规划有关城镇污水处理的相关目标已经基本实现。“十二五”期间的污水年处理量将达500亿立方米左右，假设运行负荷率为75%，则对应的总处理能力应接近1.9亿立方米/日。在已有基础上之外，新增污水处理能力接近3000万立方米/日。 而据资料显示，在"十二五"和"十三五"期间，政府将投入约为8324亿元和9733亿元用于治理工业废水，其中治理投资和运营费用将分别在2011-2015年和2016-2020年迎来高峰。 从数据上来看，我国的污水处理建设市场将进入高速发展期，运营市场也在逐渐形成，水务市场化改革在进一步推进。但污水处理的建设形势依然严峻，县城和建制镇污水处理率依然较低，仅10%。因此污水处理市场在未来仍存在很大的发展空间。 催化双氧水降解工业染料作为处理工业有机废水的一种方法与其它方法相比具有较大的优势，不仅资源上节约，能量上节省，而且操作简单，对设备的要求不高。本作品中制备出的催化剂不仅性能上优良，形貌结构上美观新颖，而且制备方法简单易操作，无需复杂设备的辅助，原料来源广泛，便宜易得，易于实现规模化和工业化的生产 因此其不仅适合于大中城市中对大规模工业废水的处理，而且在中小城市中同样有较大的发展空间。符合我国工业发展水平仍然落后的国情和未来废水处理工业的发展趋势，可有效的弥补我国工业废水处理的不足，将会在工业废水处理领域创造出巨大的经济效益。 作品的现实意义： 随着染料纺织工业的迅速发展，印染废水已成为水系环境的重点污染源之一。染料废水具有组成复杂、水量和水质变化大、色度高、难生物降解物质浓度高等特点，是难处理的工业废水之一。亚甲基蓝是染料废水中典型的有机污染物之一，对其进行降解和脱色是印染污水治理的重要对象之一。对于废水中的难降解有机污染物, 往往采用化学氧化的方法将有机污染物氧化降解, 最终实现消除其危害的目标。氧化方法更适用于有机污染物浓度较低、缺乏回收利用价值的情况。有关高效实用的氧化技术的研究方兴未艾, 已成为环境化学研究的热点之一。 Cu2S是一种p型半导体光电材料，禁带宽度为1.21ev，已经应用于太阳能电池领域，在激光、发光二极管和生物传感器等领域也有着巨大的应用潜能。迄今为止，材料科学家已经发展了许多合成方法来制备特征形貌的Cu2S半导体材料，如水热合成法、溶剂热合成法、高温注射合成法等。然而，这些方法操作比较复杂、需要多步反应。本作品中制备特征形貌Cu2S半导体材料的方法不仅操作安全、设备要求简单，而且原料来源广泛，具有非常重要的理论和实践意义。 据了解，目前还没有涉及到利用Cu2S作为催化剂来降解亚甲基蓝工业废水的报道。本作品中利用Cu（II）配合物作为前驱体，与硫源通过一步简单反应制备雪花状Cu2S微米晶。在少量H2O2辅助下，快速催化降解高浓度亚甲基蓝工业废水。该方法对设备要求低，在常温常压下就可实现，效果较好，并且原料简单易的，应用前景广阔，从实际应用的角度综合比较，该方法是近期最有可能实际应用的水中有机污染物降解技术。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的： 工业发展给环境带来了巨大的影响，尤其是印染行业产生的有机废水给环境带来了巨大的危害，如何改变这一现状，找出一种简单实用的处理高浓度有机废水的方法，是本作品主要探究的方向。 基本思路： Cu2S作为一种高性能的半导体光电材料，已应用于各个领域。找到一种简单的方法合成出具有特殊的形貌结构特征和优良性能的Cu2S晶体材料，并对其各种性能尤其是催化能力进行探究，也是本作品主要探究的重点。
科学性、先进性及独特之处
- 选用简单铜配合物作为制备硫化亚铜催化剂微米晶体的材料，并用水热合成法制备出了具有三维结构的微米晶体材料，通过扫描电子显微镜确定粉末状的硫化亚铜微米晶体材料的形貌、结构和组成，X-射线粉末衍射和X-射线光电子能谱进一步证实。所用材料都测试了对高浓度工业染料废水亚甲基蓝、甲基橙、罗丹明B的催化脱色，都具有较高催化效率和可重复性。
应用价值和现实意义
- 催化双氧水降解工业染料作为处理工业有机废水的一种方法与其它方法相比具有较大的优势，不仅资源上节约，能量上节省，而且操作简单，对设备的要求不高。 而本作品中制备出的催化剂不仅性能上优良，形貌结构上美观新颖，高催化效率和重复性，而且制备方法简单易操作，无需复杂设备的辅助，原料来源广泛，便宜易得，易于实现规模化和工业化的生产。 结合我国工业发展现状，可应用各种类型的废水处理企业。
学术论文摘要
- 本研究中，使用便宜易得的原料合成出Cu（II）配合物前驱体，利用水热合成法将配合物与硫源通过一步反应，制备出了三维雪花状结构的Cu2S微米晶。将制得的具有特殊结构的材料应用于以双氧水为辅助，高浓度亚甲基蓝、罗丹明B等模拟工业废水的催化降解中。结果证明此类催化剂具有较高的催化效率和可重复性，可用于工业实际应用。
获奖情况
- 2011年3月，发表在Elsevier出版的《Materials Letters》上： Li Zhen, Chen Weihua, Wang Hailei, Ding Qi, Hou Hongwei, Zhang Jianmin, Mi Liwei* and Zheng Zhi*, Large-scale synthesis and catalysis properties of micro-structured snowflake Cu2S from a single source Cu(II) coordination complex, Mater. Lett. 2011, In Press. DOI: 10.1016/j.matlet.2011.03.067. 申报国家发明专利两项，分别为： （1）米立伟，李珍，张艳鸽，郑直，王海磊，郭珊珊，具有三维骨架结构的CuS催化剂制备及应用，申请号：201110058899.9. （2）米立伟，李珍，王海磊，郑直，郭珊珊，可降解MB工业废水的Cu2S催化剂制备及应用，申请号：201110058905.0. 参加许昌学院第六届挑战杯并获得一等奖，以相同作品参加河南省第九届挑战杯大赛。
鉴定结果
- 2011年3月，发表在Elsevier出版的《Materials Letters》上 申报国家发明专利两项 在许昌学院第六届挑战杯并获得一等奖，以相同作品参加河南省第九届挑战杯大赛。
参考文献
- 1. Xiao-jian Zhang, Chao Chen, Peng-fei Lin, Ai-xin Hou, Zhang-bin Niu, and Jun Wang，Environ. Sci. Technol., 2011, 45 (1), 161–167. 2. Chengsi Pan and Yongfa Zhu, Environ. Sci. Technol., 2010, 44 (14), 5570–5574. 3. Wei Shao, Feng Gu, Chunzhong Li, and Mengkai Lu, Ind. Eng. Chem. Res., 2010, 49 (19), 9111–9116. 4. Jun Wang and Zhiqun Lin, Chem. Mater., 2010, 22 (2), 579–584. 5. James R. Jennings, Feng Li and Qing Wang, J. Phys. Chem. C, 2010, 114 (34), 14665–14674. 6. A. Rodriguez, G. Ovejero, J. L. Sotelo, M. Mestanza and J. Garcja, Ind. Eng. Chem. Res., 2010, 49 (2), 498–505. 7. 张胜, 符福煜, 难生化、高污染工业废水快速降解工艺及其专用设备, 2008, 中国发明专利，授权号：CN200510041020.4. 8. 孙全庆, 高浓度工业废水处理系统及其处理方法, 2009, 中国发明专利，授权号：CN200610083836.8. 9. W. Justin Youngblood, Seung-Hyun Anna Lee, Kazuhiko Maeda and Thomas E. Mallouk，Acc. Chem. Res., 2009, 42 (12), 1966–1973.
同类课题研究水平概述
- 随着染料纺织工业的迅速发展，印染废水已成为水系环境的重点污染源之一。染料废水具有组成复杂、水量和水质变化大、色度高、难生物降解物质浓度高等特点，是难处理的工业废水之一。随着染料纺织工业的迅速发展，染料品种和数量的日益增加， 染料废水已成为水环境的重点污染源之一。亚甲基蓝是染料废水中典型的有机污染物之一，对其进行降解和脱色是印染污水治理的重要对象之一。对于废水中的难降解有机污染物, 往往采用化学氧化的方法将有机污染物氧化降解, 最终实现消除其危害的目标。氧化方法更适用于有机污染物浓度较低、缺乏回收利用价值的情况。有关高效实用的氧化技术的研究方兴未艾, 已成为环境化学研究的热点之一。 Cu2S是一种p型半导体光电材料，禁带宽度为1.21ev，已经应用于太阳能电池领域，在激光、发光二极管和生物传感器等领域也有着巨大的应用潜能。迄今为止，材料科学家已经发展了许多合成方法来制备特征形貌的Cu2S半导体材料，如水热合成法、溶剂热合成法、高温注射合成法等。然而，这些方法操作比较复杂、需要多步反应。因此，发展一种操作安全、设备要求简单而原料来源广泛的方法来合成特征形貌Cu2S半导体材料具有非常重要的理论和实践意义。 据我们所知，目前还没有涉及到利用Cu2S作为催化剂来降解亚甲基蓝工业废水的报道。利用Cu(II)配合物作为前驱体，与硫源通过一步简单反应制备雪花状Cu2S微米晶。在少量H2O2辅助下，快速催化降解高浓度亚甲基蓝工业废水。该方法对设备要求低，在常温常压下就可实现，效果较好，并且原料简单易的，应用前景广阔，从实际应用的角度综合比较，该方法是近期最有可能实际应用的水中有机污染物降解技术。
