[发明专利]一种累托石/氧化亚铜纳米复合材料的制备及其应用

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及的是一种累托石/氧化亚铜纳米复合材料光催化降解蓝藻领域的环境矿物材料及其应用方法，具体是累托石与氧化亚铜的纳米复合材料的制备及其应用。

(二)现有技术和背景技术：

近年来，我国水体富营养化问题非常突出，富营养化导致水华发生的现象已成为当今水环境管理中全社会关注的热点、难点。由于严重的水体富营养化，我国已经成为世界上蓝藻水华暴发最严重、水华蓝藻种类最多、分布最广泛的国家之一。2010年，全国地表水污染依然较重，湖泊(水库)富营养化问题突出。26个国控重点湖泊(水库)中，呈富营养状态的14个，占53.8％。因此，湖泊富营养化和藻类水华已成为制约我国社会和国民经济持续发展的重大环境问题，也是资源、环境、生态领域重大的科学和技术问题与热点之一。

藻类污染的危害已引起国内外众多科学家的关注，研究者采用了气浮、过滤、微滤、吸附等物理方法和化学混凝、预氯化法、化学杀藻剂、臭氧、ClO₂、Fenton试剂法、光催化氧化法等化学方法以及生物-生态法来进行处理藻类水华的研究。但常规的物理法投资大、运行成本高；依靠外加药剂的化学法存在二次污染问题；生物-生态法占地面积大，处理效果不稳定，尚不能彻底解决水体中藻类过度生长的问题。因此，构建一种能利用天然资源和清洁能源，高效、低成本、无二次污染的藻类污染控制的新理论、新材料和新技术方法体系，就成为水华藻类污染控制亟待解决的关键科学问题。该体系除了要求具备能利用天然资源和可再生能源、环境和生物友好性外，还必须具备既能有效吸附去除和杀灭藻类，又能防止藻细胞破裂后释放的氮、磷等营养元素造成二次污染，同时还要求自身具有不能外加进入水体后容易造成二次污染的优势。

在利用天然资源治理水华藻类污染方面，粘土矿物材料因其来源充足，天然无毒，使用方便，耗资少，受到日益广泛的关注。研究者采用改性粘土将水体中藻类絮凝沉降后，水体透明度很快提高，同时还能去除水体中的N、P营养盐等，这使得改性粘土除藻成为见效快且成本较低的除藻方法，也被认为是最具前景的除藻方法。但粘土矿物材料在藻类污染治理中的应用主要侧重于利用粘土矿物或其改性材料的絮凝沉淀作用，并不能彻底杀灭藻类。同时，粘土的种类和对改性剂的选择受到限制，且作用时间较长；处理大面积藻类水华时，仍存在原料量和淤渣量过大的问题，需要解决沉降到水底的藻类分解而引起的藻细胞内含物释放造成的污染问题。而在利用可再生能源治理藻类水华污染方面，光催化氧化技术因其能利用太阳能产生强氧化性的羟基自由基去除藻类，在藻类降解研究中具有较好的发展前景。但光催化氧化技术因其大都需要紫外光激发，而且未能很好解决藻类的吸附杀灭和藻细胞破裂后内含物释放的氮、磷等营养元素造成的二次污染等问题，目前仍处于实验室探索阶段。近年来，基于粘土矿物材料的异相类Fenton反应在环境污染治理研究中成为新的热点，其原理是利用粘土矿物材料特有的铁组分与过氧化氢(H₂O₂)形成原位异相类Fenton反应，产生强氧化性的羟基自由基等活性氧物种，彻底分解有机污染物。由于粘土矿物具有天然无毒、成本低、来源丰富、环境友好等特点，粘土矿物作为催化剂在土壤、地下水、沉积物和工业废水污染治理中具有广阔的应用前景。含铁层状粘土矿物作为铁源和其他金属离子来源，在异相类Fenton反应中作为催化剂也受到了广泛关注。因此，利用粘土矿物铁组分和外加H₂O₂构建类Fenton反应可有效解决粘土矿物在水华藻类污染治理中不能降解藻类及其内含物的缺陷。然而，研究发现，含铁粘土矿物作为异相类Fenton体系应用于环境污染治理时，由于含有的铁氧化物中的Fe(III)分解H₂O₂形成强氧化性物种的速率要远低于Fe(II)分解H₂O₂产生羟基自由基的速率。在利用粘土矿物材料铁组分构建异相类Fenton体系反应中，通常需要紫外光激发来促进铁氧化物中的Fe(III)还原成Fe(II)，建立光-Fenton反应以提高反应效率。因此，基于粘土矿物材料铁组分的异相类Fenton反应或光-Fenton反应在实际应用到水华藻类污染治理时就存在两个显著的缺陷，一是需要紫外光激发，二是需要外加H₂O₂。然而在太阳光谱中紫外光能不到5％，同时，人工紫外光源相对比较昂贵、不稳定而且需要消耗大量的电能。此外，外加H₂O₂试剂成本高，反应不稳定。由此可见，如果能解决可见光化和H₂O₂替代技术这两个关键科学问题，利用天然粘土矿物材料构建类Fenton体系去除藻类及其内含物将具有巨大的潜力。