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专利号: 2023112325588
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种含铜纳米颗粒的氮磷掺杂碳材料的制备方法,其特征在于,包括:

通过对污水厂剩余污泥进行实验室培养,得到微生物絮凝剂;

以微生物絮凝剂吸附铜离子,得到吸附铜离子的微生物絮凝剂;

将所述吸附铜离子的微生物絮凝剂作为前驱体高温煅烧,得到含铜纳米颗粒的氮磷掺杂碳材料,记为Cu@NPC。

2.根据权利要求1所述的含铜纳米颗粒的氮磷掺杂碳材料的制备方法,其特征在于,在通过对污水厂剩余污泥进行实验室培养,得到微生物絮凝剂的步骤中,具体包括:(1)污泥浸渍处理:将浓盐酸稀释后,用作污泥微生物絮凝剂的盐酸提取溶液;将所述盐酸提取溶液加入到盛有污泥样品的烧杯中,室温下充分搅拌使提取液和污泥样品混合均匀后,再置于摇床内常温下150r/min震荡20min,得到污泥混合液;

(2)微生物絮凝剂提取:将所述污泥混合液8000r/min离心15min后,取上清液,向所述上清液中逐滴加入NaOH溶液调节溶液pH为7.0,得到从污泥中提取的絮凝剂母液;

(3)微生物絮凝剂纯化:向所述絮凝剂母液中加入4℃预冷的无水乙醇,室温下浸泡24h至溶液中出现絮状沉淀物,得到絮凝剂母液‑乙醇溶液;之后将所述絮凝剂母液‑乙醇溶液经过8000r/min离心15min处理,收集沉淀物,得到提纯后的所述微生物絮凝剂。

3.根据权利要求1所述的含铜纳米颗粒的氮磷掺杂碳材料的制备方法,其特征在于,在以微生物絮凝剂吸附铜离子,得到吸附铜离子的微生物絮凝剂的步骤中,具体包括:

2+

取所述微生物絮凝剂于反应容器中,加入Cu 溶液后,将所述反应容器以150r/min的转速震荡,震荡温度为15~35℃,震荡时间为180~420min,得到所述吸附铜离子的微生物絮凝剂;

2+

其中,Cu 溶液为硫酸铜溶液、铜氨溶液或者两者的混合液,pH范围为3~11。

4.根据权利要求1所述的含铜纳米颗粒的氮磷掺杂碳材料的制备方法,其特征在于,在将所述吸附铜离子的微生物絮凝剂作为前驱体高温煅烧,得到含铜纳米颗粒的氮磷掺杂碳材料的步骤中,具体包括:将所述吸附铜离子的微生物絮凝剂以8000r/min离心15min收集第一沉淀物,首先取所述第一沉淀物置于硼氢化钠溶液中,室温下缓慢搅拌,得到第一混合溶液;之后再将所述第一混合溶液置入离心管中8000r/min离心15min收集第二沉淀物,随后将所述第二沉淀物置于真空干燥箱中60℃干燥处理3h,真空度为‑0.1MPa,得到干燥处理的样品;然后将所述干燥处理的样品进行研磨,将所得粉末在氮气氛围下进行煅烧处理,煅烧参数为以2~3℃/min的升温速度升温至500℃,500℃温度下保温处理2~4h后自然冷却至室温,将煅烧处理的粉末取出,得到所述Cu@NPC。

5.根据权利要求1所述的含铜纳米颗粒的氮磷掺杂碳材料的制备方法,其特征在于,在通过对污水厂剩余污泥进行实验室培养,得到微生物絮凝剂的步骤之前,还包括:取城镇生活污水处理厂脱水污泥饼,将脱水污泥饼和自来水在容器中混合,室温下搅拌使泥水充分混合均匀,然后使用20目网筛过滤泥水混合物以去除固体杂质,之后将泥水混合物加入SBR法间歇式实验装置曝气池内进行不间断空气曝气,并按照碳:氮:磷比例为

100:5:1添加碳源、氮源、磷源作为微生物生长的营养物质,碳源为葡萄糖、淀粉、白砂糖;氮源为蛋白胨或尿素;磷源为磷酸二氢钾或磷酸二氢钠;控制混合液COD浓度为200~300mg/L,每隔24h进行换水一次,换水时先停止曝气使混合液静置15min,之后倒去混合液上层1/3体积的澄清液层,并向容器中补加同样体积的含碳源、氮源、磷源的营养液,7~10天后活性污泥培养驯化基本完成;待污泥性质趋于稳定后进行水洗处理,水洗处理包括:首先取泥水混合物静置沉淀,30min后倒去上层清液;然后室温下向烧杯中加入去离子水,缓慢搅拌污泥混合液3~5min后静置沉淀30min,之后倒去上层清液,此水洗过程重复3次;最后,污泥清洗结束后进行离心脱水,离心速率为5000r/min,离心时间为15min,得到预处理后的所述污泥样品。

6.如权利要求1至5中任一项所述的含铜纳米颗粒的氮磷掺杂碳材料的制备方法所制得的含铜纳米颗粒的氮磷掺杂碳材料。

7.如权利要求6所述的含铜纳米颗粒的氮磷掺杂碳材料在电催化还原硝酸盐领域中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于:将碳纤维布浸泡到盛有无水乙醇的烧杯中,超声清洗30min,然后用去离子水冲洗3~5次,得到清洗后的碳布;将所述清洗后的碳布置于恒温干燥箱中60℃烘干3h,得到处理好的碳布;取所述Cu@NPC,依次加入去离子水、无水乙醇、5wt%Nafion溶液,超声20~30min使所述Cu@NPC均匀分散,得到分散好的溶液;将所述分散好的溶液均匀涂抹在所述处理好的碳布上,置入真空干燥箱中60℃烘干3h,制备得到Cu@NPC/CC电极;

采用电化学标准三电极系统,以所述Cu@NPC/CC电极作为工作电极、Pt电极或Ir‑Ru/Ti电极作为对电极、饱和Ag/AgCl电极为参比电极,以硫酸钠与硝酸钠混合溶液为电解液,在2

单槽电解池中进行电解实验,电解电流密度范围为15~35mA/cm,电解时间为9h;

其中,在所述电解液中,所述硝酸钠浓度范围为10~30mg‑N/L,硫酸钠浓度为0.05~‑ + 2+ 2+ 2‑

0.2mol/L,溶液pH范围为3~11,Cl浓度范围为0.0~2.0g/L,共存离子K 、Mg 、Ca 、SO4 、‑HCO3,浓度范围为0~300mg/L,COD浓度为50~300mg/L;经过电解实验后,所述电解液中,硝酸根的浓度范围为0~6mg‑N/L。