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基本信息

項(xiàng)目名稱：
新型可重復(fù)利用的降解工業(yè)染料廢水催化劑
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本研究中，使用便宜易得的原料合成出Cu（II）配合物前驅(qū)體，利用水熱合成法將配合物與硫源通過一步反應(yīng)，制備出了三維雪花狀結(jié)構(gòu)的Cu2S微米晶。將制得的具有特殊結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)用于以雙氧水為輔助，高濃度亞甲基藍(lán)、羅丹明B等模擬工業(yè)廢水的催化降解中。結(jié)果證明此類催化劑具有較高的催化效率和可重復(fù)性，可用于工業(yè)實(shí)際應(yīng)用。
詳細(xì)介紹：
作品撰寫目的： 當(dāng)今社會(huì)中隨著化學(xué)工業(yè)和印染工業(yè)的發(fā)展，其生產(chǎn)廢水已成為主要的水體污染源。目前染料已有成千上萬種之多，它們不但具有特定的顏色，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中以高分子絡(luò)合物為多，生物降解性較低，大多具有潛在毒性，嚴(yán)重影響現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境和現(xiàn)代人身體健康。在現(xiàn)今社會(huì)中存在著多種多樣的處理有機(jī)染料廢水的方法，但或多或少都存在這樣和那樣的缺陷與不足。找到一種具有高效、成本低廉、無二次污染、適用于當(dāng)前世界印染工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的處理工業(yè)有機(jī)廢水污染的方式成為迫切的需要。 對(duì)于廢水中的難降解有機(jī)污染物, 往往采用化學(xué)氧化的方法將有機(jī)污染物氧化降解, 最終實(shí)現(xiàn)消除其危害的目標(biāo)。氧化方法尤其適用于有機(jī)污染物濃度較低、缺乏回收利用價(jià)值的情況。 Cu2S是一種p型半導(dǎo)體光電材料，已經(jīng)應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域，在激光、發(fā)光二極管和生物傳感器等領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用潛能，但尚未發(fā)現(xiàn)將其利用于催化降解工業(yè)廢水的報(bào)道。迄今為止，材料科學(xué)家已經(jīng)發(fā)展了許多合成方法來制備特征形貌的Cu2S半導(dǎo)體材料，如水熱合成法、溶劑熱合成法、高溫注射合成法等。然而，這些方法操作比較復(fù)雜、需要多步反應(yīng)。因此，發(fā)展一種操作安全、設(shè)備要求簡(jiǎn)單而原料來源廣泛的方法來合成特征形貌Cu2S半導(dǎo)體材料具有非常重要的理論和實(shí)踐意義。 而利用Cu2S作為催化劑，在少量H2O2輔助下，快速催化降解高濃度亞甲基藍(lán)工業(yè)廢水則是一大創(chuàng)新。因此，探究將制得的Cu2S用于工業(yè)廢水的催化降解中，有重要的科學(xué)研究和應(yīng)用價(jià)值。 作品撰寫的基本思路： 本作品首先介紹當(dāng)今工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及其對(duì)環(huán)境的影響，尤其是印染行業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)廢水給環(huán)境帶來了巨大的危害，如何改變這一現(xiàn)狀，找出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的處理高濃度有機(jī)廢水的方法，是本作品主要探究的方向。 Cu2S作為一種高性能的半導(dǎo)體光電材料，已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。是否能夠找到一種簡(jiǎn)單的方法合成出具有特殊的形貌結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)良性能的Cu2S晶體材料，并對(duì)其各種性能尤其是催化能力進(jìn)行探究，也是本作品主要探究的重點(diǎn)?；狙芯糠桨溉缦拢? 1） 運(yùn)用簡(jiǎn)單的化學(xué)方法合成Cu(II)配合物前驅(qū)體，再將其與硫源通過一步簡(jiǎn)單反應(yīng)制備雪花狀Cu2S微米晶。 2） 通過掃描電子顯微鏡確定粉末狀的硫化亞銅微米晶體材料的形貌、結(jié)構(gòu)和組成，晶體厚度為1-3 μm的雪花狀，X-射線粉末衍射和X-射線光電子能譜進(jìn)一步證實(shí)了其結(jié)構(gòu)與組成。 3） 將其應(yīng)用到催化以雙氧水為輔助的降解高濃度亞甲基藍(lán)、羅丹明B等工業(yè)廢水的過程中，通過UV測(cè)試其不同時(shí)段的降解率和最終的降解率，發(fā)現(xiàn)具有較高的降解率和較短的催化降解時(shí)間。 4） 通過連續(xù)七次的重復(fù)性降解實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)亞甲基藍(lán)仍具有較高的降解率，從而了解到所制得的Cu2S微米晶體材料是一類具有優(yōu)良性能的高效可重復(fù)利用催化劑。利用Cu2S催化雙氧水降解有機(jī)染料是一種高效、經(jīng)濟(jì)的處理工業(yè)有機(jī)染料廢水的方法。 作品的科學(xué)性、先進(jìn)性： 從選材上而言，選用簡(jiǎn)單銅配合物作為制備硫化亞銅催化劑微米晶體的材料，并用水熱合成法制備出了具有三維結(jié)構(gòu)的微米晶體材料，通過掃描電子顯微鏡確定粉末狀的硫化亞銅微米晶體材料的形貌、結(jié)構(gòu)和組成，X-射線粉末衍射和X-射線光電子能譜進(jìn)一步證實(shí)。所用材料都測(cè)試了對(duì)高濃度工業(yè)染料廢水亞甲基藍(lán)、甲基橙、羅丹明B的催化脫色，其中對(duì)于濃度為100 mg/L 亞甲基藍(lán)的在1個(gè)小時(shí)內(nèi)催化效率94%以上。結(jié)果證明此類催化劑可應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際中。 作品的獨(dú)特之處： 1） 本作品中制備催化劑所選用材料價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易得、來源廣泛，有效的降低了催化劑的制備成本，適合于現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)。 2） 制得的催化劑硫化亞銅微米晶體材料具有較好的結(jié)構(gòu)和形貌，催化反應(yīng)時(shí)間短，催化效率高，可重復(fù)利用性，不易氧化失效，易于保存等特點(diǎn)。 3） 廢水處理方法用于處理染料廢水適應(yīng)性強(qiáng)，常溫下即可進(jìn)行，無需采用任何光源即可進(jìn)行，簡(jiǎn)化設(shè)備，方便操作。 4） 氧化劑雙氧水簡(jiǎn)單易得、價(jià)格低廉，可自動(dòng)降解，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。 5） 選擇了合適的條件利用簡(jiǎn)單易得的配合物合成出了不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型的硫化亞銅材料。 6） 設(shè)計(jì)出了合理的工藝流程實(shí)現(xiàn)該催化劑對(duì)工業(yè)廢水的循環(huán)催化。 具體參數(shù)如下圖所示： 圖 1 利用配合物制備的Cu2S的SEM照片 圖2 利用配合物制備的Cu2S的XRD圖譜 圖 3 利用配合物制備的Cu2S的催化活性數(shù)據(jù)（亞甲基藍(lán)） 作品的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值： 由于當(dāng)今的中國(guó)水資源人均占有量少，空間分布不平衡。并且隨著中國(guó)城市化、工業(yè)化的加速，水資源的需求缺口也日益增大。在這樣的背景下，污水處理行業(yè)成為新興產(chǎn)業(yè)，目前與自來水生產(chǎn)、供水、排水、污水回用行業(yè)處于同等重要地位。 近年來，政府采取了積極的財(cái)政政策，加大了包括城市供排水在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，使我國(guó)的城市供排水特別是污水處理設(shè)施的建設(shè)得到了快速發(fā)展，城市供水水平和污水處理能力都有了較大幅度的提高和增長(zhǎng)。 截止2009年底，全國(guó)已建成城鎮(zhèn)污水處理廠1993座，總處理能力超過1億立方米/日；在建城鎮(zhèn)污水處理項(xiàng)目2360個(gè)，可新增污水處理能力約為6400萬立方米/日，“十一五”規(guī)劃有關(guān)城鎮(zhèn)污水處理的相關(guān)目標(biāo)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)?！笆濉逼陂g的污水年處理量將達(dá)500億立方米左右，假設(shè)運(yùn)行負(fù)荷率為75%，則對(duì)應(yīng)的總處理能力應(yīng)接近1.9億立方米/日。在已有基礎(chǔ)上之外，新增污水處理能力接近3000萬立方米/日。 而據(jù)資料顯示，在"十二五"和"十三五"期間，政府將投入約為8324億元和9733億元用于治理工業(yè)廢水，其中治理投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用將分別在2011-2015年和2016-2020年迎來高峰。　 從數(shù)據(jù)上來看，我國(guó)的污水處理建設(shè)市場(chǎng)將進(jìn)入高速發(fā)展期，運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)也在逐漸形成，水務(wù)市場(chǎng)化改革在進(jìn)一步推進(jìn)。但污水處理的建設(shè)形勢(shì)依然嚴(yán)峻，縣城和建制鎮(zhèn)污水處理率依然較低，僅10%。因此污水處理市場(chǎng)在未來仍存在很大的發(fā)展空間。 催化雙氧水降解工業(yè)染料作為處理工業(yè)有機(jī)廢水的一種方法與其它方法相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，不僅資源上節(jié)約，能量上節(jié)省，而且操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備的要求不高。本作品中制備出的催化劑不僅性能上優(yōu)良，形貌結(jié)構(gòu)上美觀新穎，而且制備方法簡(jiǎn)單易操作，無需復(fù)雜設(shè)備的輔助，原料來源廣泛，便宜易得，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；凸I(yè)化的生產(chǎn) 因此其不僅適合于大中城市中對(duì)大規(guī)模工業(yè)廢水的處理，而且在中小城市中同樣有較大的發(fā)展空間。符合我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平仍然落后的國(guó)情和未來廢水處理工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，可有效的彌補(bǔ)我國(guó)工業(yè)廢水處理的不足，將會(huì)在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 作品的現(xiàn)實(shí)意義： 隨著染料紡織工業(yè)的迅速發(fā)展，印染廢水已成為水系環(huán)境的重點(diǎn)污染源之一。染料廢水具有組成復(fù)雜、水量和水質(zhì)變化大、色度高、難生物降解物質(zhì)濃度高等特點(diǎn)，是難處理的工業(yè)廢水之一。亞甲基藍(lán)是染料廢水中典型的有機(jī)污染物之一，對(duì)其進(jìn)行降解和脫色是印染污水治理的重要對(duì)象之一。對(duì)于廢水中的難降解有機(jī)污染物, 往往采用化學(xué)氧化的方法將有機(jī)污染物氧化降解, 最終實(shí)現(xiàn)消除其危害的目標(biāo)。氧化方法更適用于有機(jī)污染物濃度較低、缺乏回收利用價(jià)值的情況。有關(guān)高效實(shí)用的氧化技術(shù)的研究方興未艾, 已成為環(huán)境化學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。 Cu2S是一種p型半導(dǎo)體光電材料，禁帶寬度為1.21ev，已經(jīng)應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域，在激光、發(fā)光二極管和生物傳感器等領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用潛能。迄今為止，材料科學(xué)家已經(jīng)發(fā)展了許多合成方法來制備特征形貌的Cu2S半導(dǎo)體材料，如水熱合成法、溶劑熱合成法、高溫注射合成法等。然而，這些方法操作比較復(fù)雜、需要多步反應(yīng)。本作品中制備特征形貌Cu2S半導(dǎo)體材料的方法不僅操作安全、設(shè)備要求簡(jiǎn)單，而且原料來源廣泛，具有非常重要的理論和實(shí)踐意義。 據(jù)了解，目前還沒有涉及到利用Cu2S作為催化劑來降解亞甲基藍(lán)工業(yè)廢水的報(bào)道。本作品中利用Cu（II）配合物作為前驅(qū)體，與硫源通過一步簡(jiǎn)單反應(yīng)制備雪花狀Cu2S微米晶。在少量H2O2輔助下，快速催化降解高濃度亞甲基藍(lán)工業(yè)廢水。該方法對(duì)設(shè)備要求低，在常溫常壓下就可實(shí)現(xiàn)，效果較好，并且原料簡(jiǎn)單易的，應(yīng)用前景廣闊，從實(shí)際應(yīng)用的角度綜合比較，該方法是近期最有可能實(shí)際應(yīng)用的水中有機(jī)污染物降解技術(shù)。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

目的： 工業(yè)發(fā)展給環(huán)境帶來了巨大的影響，尤其是印染行業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)廢水給環(huán)境帶來了巨大的危害，如何改變這一現(xiàn)狀，找出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的處理高濃度有機(jī)廢水的方法，是本作品主要探究的方向。 基本思路： Cu2S作為一種高性能的半導(dǎo)體光電材料，已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。找到一種簡(jiǎn)單的方法合成出具有特殊的形貌結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)良性能的Cu2S晶體材料，并對(duì)其各種性能尤其是催化能力進(jìn)行探究，也是本作品主要探究的重點(diǎn)。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

選用簡(jiǎn)單銅配合物作為制備硫化亞銅催化劑微米晶體的材料，并用水熱合成法制備出了具有三維結(jié)構(gòu)的微米晶體材料，通過掃描電子顯微鏡確定粉末狀的硫化亞銅微米晶體材料的形貌、結(jié)構(gòu)和組成，X-射線粉末衍射和X-射線光電子能譜進(jìn)一步證實(shí)。所用材料都測(cè)試了對(duì)高濃度工業(yè)染料廢水亞甲基藍(lán)、甲基橙、羅丹明B的催化脫色，都具有較高催化效率和可重復(fù)性。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

催化雙氧水降解工業(yè)染料作為處理工業(yè)有機(jī)廢水的一種方法與其它方法相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，不僅資源上節(jié)約，能量上節(jié)省，而且操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備的要求不高。 而本作品中制備出的催化劑不僅性能上優(yōu)良，形貌結(jié)構(gòu)上美觀新穎，高催化效率和重復(fù)性，而且制備方法簡(jiǎn)單易操作，無需復(fù)雜設(shè)備的輔助，原料來源廣泛，便宜易得，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；凸I(yè)化的生產(chǎn)。 結(jié)合我國(guó)工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，可應(yīng)用各種類型的廢水處理企業(yè)。

學(xué)術(shù)論文摘要

本研究中，使用便宜易得的原料合成出Cu（II）配合物前驅(qū)體，利用水熱合成法將配合物與硫源通過一步反應(yīng)，制備出了三維雪花狀結(jié)構(gòu)的Cu2S微米晶。將制得的具有特殊結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)用于以雙氧水為輔助，高濃度亞甲基藍(lán)、羅丹明B等模擬工業(yè)廢水的催化降解中。結(jié)果證明此類催化劑具有較高的催化效率和可重復(fù)性，可用于工業(yè)實(shí)際應(yīng)用。

獲獎(jiǎng)情況

2011年3月，發(fā)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. 申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利兩項(xiàng)，分別為： （1）米立偉，李珍，張艷鴿，鄭直，王海磊，郭珊珊，具有三維骨架結(jié)構(gòu)的CuS催化劑制備及應(yīng)用，申請(qǐng)?zhí)枺?01110058899.9. （2）米立偉，李珍，王海磊，鄭直，郭珊珊，可降解MB工業(yè)廢水的Cu2S催化劑制備及應(yīng)用，申請(qǐng)?zhí)枺?01110058905.0. 參加許昌學(xué)院第六屆挑戰(zhàn)杯并獲得一等獎(jiǎng)，以相同作品參加河南省第九屆挑戰(zhàn)杯大賽。

鑒定結(jié)果

2011年3月，發(fā)表在Elsevier出版的《Materials Letters》上 申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利兩項(xiàng) 在許昌學(xué)院第六屆挑戰(zhàn)杯并獲得一等獎(jiǎng)，以相同作品參加河南省第九屆挑戰(zhàn)杯大賽。

參考文獻(xiàn)

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. 張勝, 符福煜, 難生化、高污染工業(yè)廢水快速降解工藝及其專用設(shè)備, 2008, 中國(guó)發(fā)明專利，授權(quán)號(hào)：CN200510041020.4. 8. 孫全慶, 高濃度工業(yè)廢水處理系統(tǒng)及其處理方法, 2009, 中國(guó)發(fā)明專利，授權(quán)號(hào)：CN200610083836.8. 9. W. Justin Youngblood, Seung-Hyun Anna Lee, Kazuhiko Maeda and Thomas E. Mallouk，Acc. Chem. Res., 2009, 42 (12), 1966–1973.

同類課題研究水平概述

隨著染料紡織工業(yè)的迅速發(fā)展，印染廢水已成為水系環(huán)境的重點(diǎn)污染源之一。染料廢水具有組成復(fù)雜、水量和水質(zhì)變化大、色度高、難生物降解物質(zhì)濃度高等特點(diǎn)，是難處理的工業(yè)廢水之一。隨著染料紡織工業(yè)的迅速發(fā)展，染料品種和數(shù)量的日益增加， 染料廢水已成為水環(huán)境的重點(diǎn)污染源之一。亞甲基藍(lán)是染料廢水中典型的有機(jī)污染物之一，對(duì)其進(jìn)行降解和脫色是印染污水治理的重要對(duì)象之一。對(duì)于廢水中的難降解有機(jī)污染物, 往往采用化學(xué)氧化的方法將有機(jī)污染物氧化降解, 最終實(shí)現(xiàn)消除其危害的目標(biāo)。氧化方法更適用于有機(jī)污染物濃度較低、缺乏回收利用價(jià)值的情況。有關(guān)高效實(shí)用的氧化技術(shù)的研究方興未艾, 已成為環(huán)境化學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。 Cu2S是一種p型半導(dǎo)體光電材料，禁帶寬度為1.21ev，已經(jīng)應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域，在激光、發(fā)光二極管和生物傳感器等領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用潛能。迄今為止，材料科學(xué)家已經(jīng)發(fā)展了許多合成方法來制備特征形貌的Cu2S半導(dǎo)體材料，如水熱合成法、溶劑熱合成法、高溫注射合成法等。然而，這些方法操作比較復(fù)雜、需要多步反應(yīng)。因此，發(fā)展一種操作安全、設(shè)備要求簡(jiǎn)單而原料來源廣泛的方法來合成特征形貌Cu2S半導(dǎo)體材料具有非常重要的理論和實(shí)踐意義。 據(jù)我們所知，目前還沒有涉及到利用Cu2S作為催化劑來降解亞甲基藍(lán)工業(yè)廢水的報(bào)道。利用Cu(II)配合物作為前驅(qū)體，與硫源通過一步簡(jiǎn)單反應(yīng)制備雪花狀Cu2S微米晶。在少量H2O2輔助下，快速催化降解高濃度亞甲基藍(lán)工業(yè)廢水。該方法對(duì)設(shè)備要求低，在常溫常壓下就可實(shí)現(xiàn)，效果較好，并且原料簡(jiǎn)單易的，應(yīng)用前景廣闊，從實(shí)際應(yīng)用的角度綜合比較，該方法是近期最有可能實(shí)際應(yīng)用的水中有機(jī)污染物降解技術(shù)。
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