过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法及应用，其中测试方法包括步骤1，将固体介质样品的悬浊液置于容器中；步骤2，向步骤1中的容器中加入预设体积和浓度的过氧化氢，保证容器顶部没有空气，并立即密闭；步骤3，测试预设时间间隔下液体体系溶解氧的浓度数据，直至氧气浓度达到稳定值；步骤4，构建过氧化氢转化为氧气的动力学模型，拟合步骤3中的实测数据，计算动力学常数k。与现有技术相比，本发明专利技术所测定的动力学常数k可以用于表征土壤、矿物和催化剂活化双氧水产生氧气的速率；评价土壤修复中双氧水的适用性；或指示矿物和催化材料活化双氧水的非均相芬顿反应中氧化剂的利用效率。中氧化剂的利用效率。中氧化剂的利用效率。

【技术实现步骤摘要】
过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法及应用


[0001]本专利技术涉及过氧化氢参与的环境修复
，尤其涉及一种过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法及应用。

技术介绍

[0002]过氧化氢(H2O2)又称双氧水，是一种强氧化剂，可以被过渡金属(如Fe
2+
、Fe
3+
)和紫外线活化生成强氧化的羟基自由基(HO
·
)，从而氧化有机和无机化合物，达到去除污染物的目的。由于其具有安全无毒易处理的优点，被广泛应用于处理市政饮用水、废水和土壤污染物。目前关于H2O2的高级氧化技术有：芬顿法和类芬顿法、臭氧/H2O2高级氧化法、UV/H2O2高级氧化法等。
[0003]然而，H2O2在环境介质中的特定金属离子、生物酶或某些固体介质的催化下，容易通过歧化反应快速分解为氧气(2H2O2→
2H2O+O2↑
)，使其氧化剂的有效利用受到限制，大多数原位氧化技术在应用中都需要高剂量的H2O2才能达到理想的效果，从而增加了技术成本，并对生态系统造成不利影响。因此，为了开发更可持续的过氧化氢活化技术，必须对H2O2分解为氧气的反应动力学进行量化表征。
[0004]以往研究中，为研究双氧水的利用效率，通过根据H2O2消耗量和污染物去除量的比值，间接定量H2O2的无效分解转化，但该方法具有误差大、操作复杂等问题，且没有直接观测双氧水歧化分解。例如对于土壤样品，采用这种取样测试过氧化氢和污染物的浓度，涉及操作繁琐的洗脱、过滤等分离纯化操作，增加了检测步骤和难度；同时污染物降解所需氧化物质并非完全源于过氧化氢，根据污染物浓度变化推断过氧化氢理论消耗量不准确；此外H2O2分解的途径比O2产生的途径复杂得多，前者包括O2产生和与环境介质中各种还原性物质的反应。
[0005]因此，直接定量氧气的含量变化十分有必要。气相色谱法可以检测过氧化氢分解产生的氧气，但是该方法仅能测试气相氧气浓度，不能原位测试悬浊液中的溶解氧浓度。
[0006]此外，中国专利CN201720071871.1公开了一种利用铜氨溶液吸收混合气体中的氧气得出氧气百分比的铜氨法，该方法可以实现对氧气的高精度自动化检测，但繁琐的程序限制了该方法的应用。氧气浓度还可以根据压力差造成的U型管内液体体积变化推算(Journal of Catalysis,176(1998)321
‑
328)或基于氧对荧光淬灭作用进行光学检测(中国专利CN201810122897.3)，但这些方法误差较大且对操作条件要求严格。
[0007]基于以上测试方法的缺点，亟需开发一种便捷的、操作简单的、可直观表达在固体介质的悬浊液中双氧水分解为氧气速率的测试方法，以更好地表达H2O2利用效率，并指导双氧水相关环境修复技术的应用。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种便捷的、操作简单的、可直观表达氧气生成动力学与过氧化氢无效分解关系的氧气含量原位测试方法。
[0009]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010]本专利技术的第一个目的是提供一种过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1，将固体介质样品的悬浊液置于容器中；
[0012]步骤2，向步骤1中的容器中加入预设体积和浓度的过氧化氢，保证容器顶部没有空气，即保证液面上方至容器顶部之间没有剩余空间，并立即密闭；
[0013]步骤3，测试预设时间间隔下液体体系溶解氧的浓度数据，直至氧气浓度达到稳定值；
[0014]步骤4，构建过氧化氢转化为氧气的动力学模型，拟合步骤3中的实测数据，计算动力学常数k，基于动力学常数k表征过氧化氢在固体介质中分解产氧的活性。
[0015]进一步地，步骤1中，所述固体介质为土壤、矿物、催化材料中的一种。
[0016]进一步地，步骤1中，所述固体介质样品的悬浊液中，溶剂为去离子水，固体介质浓度为0.1～50克/升，采用的容器体积为10～100毫升。
[0017]进一步地，步骤2中，向步骤1中的容器中加入0.5～1毫升过氧化氢后，立即将容器密封。其中过氧化氢产品的浓度采用市面上主流浓度标准均可。
[0018]进一步地，步骤3中，在搅拌条件下，测试液体体系溶解氧的浓度数据，每个测定点间隔0.5～2分钟，直至氧气浓度达到稳定值。
[0019]进一步地，步骤3中，采用多通道光纤测氧仪测试溶解氧浓度，测试过程设置至少三组平行对照。溶解氧浓度使用多通道光纤测氧仪(主机型号：OXY
‑
4ST)原位测量溶解氧浓度，利用双接头光纤(POF
‑
L2.5
‑
2ST)连接主机和密封容器，容器内壁贴有圆形测氧贴片((聚酯载体)，SP
‑
PSt7
‑
10
‑
NAU
‑
D5
‑
YOP)，氧气浓度以毫克/升表示。
[0020]进一步地，步骤3中，测试前多通道光纤测氧仪进行2步校正：(1)无氧水校正；(2)环境空气或空气饱和水校正。
[0021]进一步地，步骤4中，依据双氧水歧化分解为O2的反应遵循准一级动力学、且O2的生成速率与悬浮液中H2O2的浓度相关的两个假设，建立动力学模型，如方程式(1)所示：
[0022]ln(N
O
)＝
‑
2kt
ꢀꢀꢀ
(1)
[0023]其中k是O2生成的速率常数，[H2O2]0是H2O2的初始摩尔浓度，[O2]T
是所有H2O2分解为氧气的理论最高O2生成浓度，[O2]0是初始O2浓度，[O2]是任意时刻测得的O2摩尔浓度；
[0024]将式(1)的左式和时间t进行线性拟合，根据斜率计算得到速率常数k值。
[0025]进一步地，步骤4中，对溶解氧变化曲线进行拟合，回归系数R2值均大于0.95，平行样之间的绝对误差小于5％。
[0026]本专利技术的第二个目的是提供一种上述过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法的应用，即通过得到的动力学常数k可以表征固体介质催化过氧化氢歧化分解为氧气的活性，以此表征土壤、矿物和催化剂活化双氧水产生氧气的速率，或评价土壤修复中双氧水的适用性，或指示矿物和催化材料活化双氧水的非均相芬顿反应中氧化剂的利用效率。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下技术优势：
[0028]本专利技术操作简单便捷，可直观地描述氧气生成的动力学，所测定的动力学常数k可以表示固体介质催化过氧化氢歧化分解为氧气的活性，可用于表征土壤、矿物和催化剂活化双氧水产生氧气的速率，进一步评价土壤修复中双氧水的适用性，指示矿物和催化材料活化双氧水的非均相芬顿反应中氧化剂的利用效率。
附图说明
[0029]图1为本技术方案中实验方法的示意图；
[0030]图中：1、含双氧水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将固体介质样品的悬浊液置于容器中；步骤2，向步骤1中的容器中加入预设体积和浓度的过氧化氢，保证容器顶部没有空气，并立即密闭；步骤3，测试预设时间间隔下液体体系溶解氧的浓度数据，直至氧气浓度达到稳定值；步骤4，构建过氧化氢转化为氧气的动力学模型，拟合步骤3中的实测数据，计算动力学常数k，基于动力学常数k表征过氧化氢在固体介质中分解产氧的活性。2.根据权利要求1所述的一种过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法，其特征在于，步骤1中，所述固体介质为土壤、矿物、催化材料中的一种。3.根据权利要求1所述的一种过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法，其特征在于，步骤1中，所述固体介质样品的悬浊液中，溶剂为去离子水，固体介质浓度为0.1～50克/升，采用的容器体积为10～100毫升。4.根据权利要求1所述的一种过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法，其特征在于，步骤2中，向步骤1中的容器中加入0.5～1毫升过氧化氢后，立即将容器密封。5.根据权利要求1所述的一种过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法，其特征在于，步骤3中，在搅拌条件下，测试液体体系溶解氧的浓度数据，每个测定点间隔0.5～2分钟，直至氧气浓度达到稳定值。6.根据权利要求1所述的一种过氧化氢在固体介质中分解产氧的原位测试方法，其特征在于，步骤3中，采用多通道光纤测氧仪测试溶解氧浓度，测试过程设置至少三组平行对照。7.根据权利要求6所述的一种过氧化氢在固体...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙明策，王晓慧，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：