一种碱性条件下利用纳米零价铝活化分子氧的方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种碱性条件下利用纳米零价铝活化分子氧的方法与应用。该方法以三聚磷酸钠为水解试剂，纳米零价铝为催化剂，将碱性水溶液中溶解态氧气还原为含氧自由基，并用于降解以靛蓝和扑热息痛为代表的污染物。本发明专利技术利用三聚磷酸钠对Al

【技术实现步骤摘要】
一种碱性条件下利用纳米零价铝活化分子氧的方法与应用
本专利技术属于废水处理
，具体涉及一种碱性条件下利用纳米零价铝活化分子氧的方法与应用。
技术介绍
纳米零价金属处理环境污染物是一种值得深入研究且具有应用价值的污染控制技术。这项技术的特点是在无氧条件下，纳米零价金属还原重金属或还原卤代有机物；在有氧条件下，纳米零价金属活化分子氧降解有机污染物；在特定pH条件下，纳米零价金属可吸附或共沉淀污染物。然而，纳米零价金属在有氧条件下激发的高级氧化技术面临如下问题：纳米零价金属的钝化层阻碍活性表面与污染物接触；无效的分子氧的四电子还原反应占主导，抑制含氧活性物种的生成。具有强还原活性的纳米零价金属包括零价铝(Eθ(Al3+/A1)＝-1.662V)、零价锰(Eθ(Mn2+/Mn)＝-1.185V)、零价锌(Eθ(Zn2+/Zn)＝-0.762V)、零价铁(Eθ(Fe2+/Fe)＝-0.447V)、零价钴(Eθ(Co2+/Co)＝-0.28V)等。其中，纳米零价铝(nZVAl)由于具有较强的热力学还原性和较低环境暴露风险，是环境污染控制的优良催化剂。近年来，为克服nZVAl在高级氧化应用中面临的问题，常用的方法包括酸性溶液对nZVAl进行表面腐蚀预处理、有机络合剂(EDTA-Na、草酸钠等)对nZVAl进行钝化层溶解。然而，添加的有机络合剂具有环境暴露风险。针对以上现有技术的缺陷，本专利技术的专利技术人经过潜心研究，首次发现以下技术方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决nZVAl的表面钝化和抑制分子氧的四电子还原反应，提供一种碱性条件下利用纳米零价铝活化分子氧的方法与应用。本专利技术采用三聚磷酸钠在反应溶液中原位溶解nZVAl表面钝化层，并同时控制界面电子转移，使nZVAl高效的还原分子氧为含氧自由基，强化对污染物的降解。该工艺条件易控制，具有良好的分子氧催化活性。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种碱性条件下利用纳米零价铝活化分子氧的方法，所述的水解试剂为三聚磷酸钠，纳米零价铝为催化剂，通过催化水溶液中溶解态氧气降解污染物。由于TPP对Al3+的络合效应和“质子限域效应”，调控nZVAl界面电子转移途径，促进分子氧的有效利用。一种碱性条件下利用纳米零价铝活化分子氧的方法，包括以下步骤：(1)纳米零价铝储备液制备：将商品化购买的纳米零价铝放置钳口瓶内，浸没在100mL超纯水中，然后超声分散30min，作为纳米零价铝储备液；(2)三聚磷酸钠溶液配制：称取固定质量三聚磷酸钠固体粉末，溶于超纯水并经超声振荡30min，配制高浓度(250mM)三聚磷酸钠储备液；(3)反应体系构建：常温下，以250mL高脚烧杯为反应器，通过磁力搅拌溶解空气中平衡态氧气，依次滴加污染物、三聚磷酸钠储备液、纳米零价铝储备液。上述方法中，步骤(1)所述的纳米零价铝平均粒径为50nm。上述方法中，步骤(1)所述的超声分散在超声功率40kHz、水浴温度25℃下进行。上述方法中，步骤(2)所述的三聚磷酸钠储备液采用向超纯水中逐量投加三聚磷酸钠粉末的方法制备。上述方法中，步骤(3)所述的反应溶液初始pH为9.65-9.69。上述方法中，步骤(3)所述的磁力搅拌速率为500rpm。上述方法中，步骤(3)所述的反应溶液最终总体积控制相同。一种利用无机盐催化纳米零价铝活化分子氧的方法可用于废水中污染物降解。所述污染物选自靛蓝染料或扑热息痛中至少一种以上。本专利技术与现有的克服nZVAl在高级氧化应用中存在问题的方法(酸性溶液异位溶解表面钝化层、有机络合剂原位溶解钝化层)有本质区别，本专利技术采用无机盐三聚磷酸钠为水解试剂，原位溶解nZVAl表面钝化层，并同时控制内核零价铝与分子氧的电子传递。这种方法不仅解决了酸性溶液异位预处理钝化层的繁琐，而且促进分子氧有效转化为含氧自由基，增强对污染物的降解。本专利技术以nZVAl为催化剂，旨在解决表面钝化层和无效四电子反应的问题，并同时降低体系的环境暴露风险。本专利技术以低环境风险的无机盐三聚磷酸钠(TPP)为水解试剂，利用TPP对Al3+的络合效应，可溶解nZVAl表面致密的钝化层；同时该络合物独特的“质子限域效应”可阻碍质子对电子的竞争，而且形成的表面络合物可降低内核零价铝向溶液界面的电子传导性，以期将四电子还原反应转变为单电子或双电子还原反应。为nZVAl活化分子氧降解污染物提供新思路。本专利技术与现有技术相比具有以下优点及有益效果：(1)本专利技术工艺简单，条件温和，易于控制。(2)本专利技术采用三聚磷酸钠催化纳米零价铝活化分子氧，不仅提高对分子氧的有效利用，而且降低反应体系对环境的暴露风险。(3)本专利技术采用纳米零价铝活化空气中平衡态氧气，简化操作工艺，降低实施成本。(4)本专利技术采用在碱性条件下进行，拓宽对废水pH值的响应范围。附图说明图1是实施例1中不同TPP浓度对nZVAl活化分子氧降解靛蓝的影响；图2是实施例2中不同TPP浓度对nZVAl活化分子氧降解扑热息痛的影响；图3是实施例3中不同TPP浓度对nZVAl活化分子氧降解靛蓝过程中溶液pH变化的影响；图4是实施例4中不同初始pH值对nZVAl活化分子氧降解靛蓝的影响；图5是实施例5中不同TPP浓度对反应过程产生双氧水的影响。具体实施方式下面，将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在本专利技术中，图1是实施例1中不同TPP浓度对nZVAl活化分子氧降解靛蓝的影响；图2是实施例2中不同TPP浓度对nZVAl活化分子氧降解扑热息痛的影响；图3是实施例3中不同TPP浓度对nZVAl活化分子氧降解靛蓝过程中溶液pH变化的影响；图4是实施例4中不同初始pH值对nZVAl活化分子氧降解靛蓝的影响；图5是实施例5中不同TPP浓度对反应过程产生双氧水的影响。实施例1反应器为250mL高脚烧杯(以下如无特殊说明，均以此为反应器)，nZVAl浓度0.5g/L，靛蓝浓度50mg/L，TPP浓度0、0.5、1.0、5.0、7.0、10mM，初始pH值9.34-9.63(依据TPP不同浓度而变)，磁力搅拌速率500rpm，反应时间110min，于固定时间取样。所取样品经0.22μm聚醚砜滤头过滤。另外，对于N2淬灭分子氧的实验，反应器为500mL厌氧瓶，nZVAl浓度0.5g/L，靛蓝浓度50mg/L，TPP浓度10mM，初始pH值9.56，N2曝气流量100mL/min，磁力搅拌速率500rpm，反应时间110min，于固定时间取样。所取样品经0.22μm聚醚砜滤头过滤。结果如图1所示，说明TPP能显著促进nZVAl活化分子氧降解靛蓝。实施例2反应条件为nZVAl浓度3.0g/L，扑热息痛浓度50μM，TPP浓度0、10、20mM，初始pH值9.34-9.63本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碱性条件下利用纳米零价铝活化分子氧的方法，其特征在于，以三聚磷酸钠为水解试剂，纳米零价铝为催化剂，通过催化水溶液中溶解态氧气降解污染物。

【技术特征摘要】
1.一种碱性条件下利用纳米零价铝活化分子氧的方法，其特征在于，以三聚磷酸钠为水解试剂，纳米零价铝为催化剂，通过催化水溶液中溶解态氧气降解污染物。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)纳米零价铝储备液制备：将商品化购买的纳米零价铝放置钳口瓶内，浸没在100mL超纯水中，然后超声分散30min，作为纳米零价铝储备液；(2)三聚磷酸钠储备液配制：称取固定质量三聚磷酸钠固体粉末，溶于超纯水并经超声振荡30min，配制高浓度(250mM)三聚磷酸钠储备液；(3)反应体系构建：常温下，以250mL高脚烧杯为反应器，通过磁力搅拌溶解空气中平衡态氧气，依次滴加污染物、三聚磷酸钠储备液、纳米零价铝储备液。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的纳米零价铝平...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛军峰，张峰振，濮梦婕，张云飞，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44