基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法和应用。包括以下步骤：提供含有N‑亚硝基二甲胺的待处理水体，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料和过一硫酸钾，将待处理水体转移至黑暗条件下搅拌反应，反应后得到N‑亚硝基二甲胺降解的水体。本发明专利技术基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法通过活性自由基形式的·OH和·SO

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法和应用
本专利技术涉及水处理工艺
，具体涉及一种用于水体中N-亚硝基二甲胺降解的方法，更具体地，涉及一种基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA(N-亚硝基二甲胺)降解方法，还涉及该基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA(N-亚硝基二甲胺)降解方法在水体消毒副产物降解上的应用。
技术介绍
N-亚硝基二甲胺(NDMA)是一种具有致癌性和诱变性的N-亚硝胺。自1989年，NDMA在加拿大安大略省的饮用水中第一次作为消毒副产物被检出后，近三十多年，研究人员发现以NDMA为主的亚硝胺类消毒副产物在世界各地的饮用水厂、污水处理厂中普遍存在。NDMA是一种新兴消毒副产物，可以在饮用水和废水的氯消毒或者氯胺消毒过程中生成，在饮用水和废水处理系统中NDMA被检出最高浓度分别可以达到630ng/L和1000ng/L。目前，城市废水的间接再利用越来越受到重视，经过高度处理的城市废水正日益被视为家庭和生态应用的替代水源。然而，废水处理厂(WWTPs)的废水中含有潜在的微量污染物，如NDMA，可能会影响接收水的质量。因此，在废水深度处理过程中，有效去除包括NDMA在内的痕量污染物残留物具有十分重要的意义。由于NDMA具有高水溶性、半挥发性和生物积累的特点，传统的废水处理技术，如空气汽提、吸附和生物降解对其去除效果不佳。高级氧化工艺(AOPs)被认为是一种有效的NDMA消除方法。在AOPs中，使用最广泛的是UV、臭氧和芬顿反应。紫外辐射对NDMA的去除是有效的。然而，要达到可接受的NDMA水平，UV处理系统的成本是相当高的。另外，芬顿氧化通常需要紫外线、可见光照射或超声波来加速降解速率，需要额外的能量消耗，也即在水处理工序中植入相应供能环节，一方面光能很难彻底作用于水体，另一方面需要对现有设备进行整体重新设计、改造，成本昂贵。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法，本专利技术还提供了一种基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法在水处理上的应用，以解决现有用于水体中N-亚硝基二甲胺降解的方法存在的N-亚硝基二甲胺处理成本高、需要额外供能、处理不彻底等缺陷。第一方面，本专利技术提供了一种基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法，包括以下步骤：提供含有N-亚硝基二甲胺的待处理水体，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料和过一硫酸钾，将待处理水体转移至黑暗条件下搅拌反应，反应后得到N-亚硝基二甲胺降解的水体。本专利技术基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法利用石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料(rGO/nZVl)作为催化剂，石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料包括石墨烯中空纳米球以及负载于石墨烯中空纳米球上的零价铁，石墨烯中空纳米球具有极大的比表面积和极高的电子传导率，有助于发挥零价铁纳米材料对消毒副产物N-亚硝基二甲胺的催化降解活性。石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料能够高效催化过一硫酸钾(PMS)产生硫酸根自由基(·SO4-)。申请人通过探讨rGO/nZVI-PMS体系的降解机理发现，rGO/nZVI-PMS体系中形成的·OH和·SO4-对难降解的消毒副产物N-亚硝基二甲胺的氧化降解起关键作用，通过活性自由基形式的·OH和·SO4-联合作用于N-亚硝基二甲胺，促进N-亚硝基二甲胺高效降解。另外，通过将零价铁纳米材料负载到稳定的石墨烯中空纳米球上，也能有效防止零价铁纳米材料自身团聚以及在催化降解N-亚硝基二甲胺过程中被腐蚀，提升石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的可重复降解效率。本专利技术用于水体中N-亚硝基二甲胺降解的方法选择的·SO4-与常规的氧化性极强的羟基自由基(氧化还原电位E0＝1.8～2.7V)相比，·SO4-的氧化还原电位略高(E0＝2.5～3.1V)，且其在中性和碱性条件下也具有强的氧化活性，对水质适应性更广，·SO4-在水体中也能与水分子反应生成·OH，利于通过·OH和·SO4-联合作用于N-亚硝基二甲胺。·SO4-半衰期较长(T·SO4-≈40μs，T·OH≈20ns)，在水相中稳定性更高，能够与污染物作用的时间更长，高效作用于水体中N-亚硝基二甲胺的降解。本专利技术一种基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法中，产生·SO4-的为石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料(rGO/nZVl)和过一硫酸钾(PMS)，均为固体，与H2O2或者臭氧相比更易贮存及运输，消毒处理成本也更低。优选的，在含有N-亚硝基二甲胺的待处理水体中，所述N-亚硝基二甲胺的浓度小于等于2.5mg/L。待处理水体中N-亚硝基二甲胺的浓度超过2.5mg/L会导致去除效率急剧下降，不利于高效、快速处理水体中的N-亚硝基二甲胺。优选的，在含有N-亚硝基二甲胺的待处理水体中，所述N-亚硝基二甲胺的浓度小于等于0.5mg/L。当水体中初始N-亚硝基二甲胺浓度分别为0.5mg/L时，NDMA在40分钟内被完全去除。优选的，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料和过一硫酸钾后，所述石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的浓度大于等于14mg/L。申请人实验探索过程中发现，石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的浓度低于14mg/L，反应体系催化降解N-亚硝基二甲胺的效率极低，不利于实际水处理过程中对于高效的要求。当石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的浓度大于等于14mg/L时，本专利技术用于水体中N-亚硝基二甲胺降解的体系的催化降解效率也随着石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的浓度升高而提升。优选的，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料和过一硫酸钾后，所述石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的浓度大于等于28mg/L。申请人通过实验发现，当添加超过28mg/LrGO/nZVI时，40min内NDMA被完全去除，符合产业中对于经济高效的要求。优选的，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料和过一硫酸钾后，所述过一硫酸钾的浓度为0.2～2mmol/L。申请人通过实验发现，过一硫酸钾的浓度超过2mmol/L时，对N-亚硝基二甲胺的降解效率呈下降趋势；同时，当过一硫酸钾的浓度低于0.2mmol/L时，由于产生的·SO4-不够，对N-亚硝基二甲胺的降解效率同样很低。优选的，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料和过一硫酸钾后，所述过一硫酸钾的浓度为1mmol/L。申请人通过实验发现，当过一硫酸钾的浓度为1mmol/L时，其对应的N-亚硝基二甲胺的降解效率最高。优选的，所述含有N-亚硝基二甲胺的待处理水体的pH值为3～9，所述搅拌反应时间为30min以上，所述搅拌转速为50～500rpm。申请人通过实验发现，当pH值为3～9时，N-亚硝基二甲胺的降解效率保持在较高水平；且当pH值小于3或者大于9时，其N-亚硝基二甲胺的降解效率均呈下降趋势。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法，其特征在于，包括以下步骤：/n提供含有N-亚硝基二甲胺的待处理水体，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料和过一硫酸钾，将待处理水体转移至黑暗条件下搅拌反应，反应后得到N-亚硝基二甲胺降解的水体。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供含有N-亚硝基二甲胺的待处理水体，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料和过一硫酸钾，将待处理水体转移至黑暗条件下搅拌反应，反应后得到N-亚硝基二甲胺降解的水体。


2.如权利要求1所述的基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法，其特征在于，在含有N-亚硝基二甲胺的待处理水体中，所述N-亚硝基二甲胺的浓度小于等于2.5mg/L。


3.如权利要求2所述的基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法，其特征在于，在含有N-亚硝基二甲胺的待处理水体中，所述N-亚硝基二甲胺的浓度小于等于0.5mg/L。


4.如权利要求1所述的基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法，其特征在于，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料和过一硫酸钾后，所述石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的浓度大于等于14mg/L。


5.如权利要求4所述的基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法，其特征在于，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料和过一硫酸钾后，所述石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的浓度大于等于28mg/L。


6.如权利要求1所述的基于石墨烯中空纳米球负载零价铁的纳米材料的NDMA降解方法，其特征在于，向水体中添加石墨烯中空纳米球负载零...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴清平，孙铭，古其会，张友雄，张菊梅，郭伟鹏，吴慧清，
申请(专利权)人：中科院广州化学有限公司，广东省科学院微生物研究所广东省微生物分析检测中心，
类型：发明
国别省市：广东;44