[发明专利]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

说明书

本发明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。本发明利用三聚磷酸钠对Al³⁺的络合效应和独特的“质子限域效应”，分别溶解纳米零价铝表面钝化层和控制界面电子传递，从而提高对分子氧的有效利用。本发明的方法工艺简单、条件温和且易于控制，拓宽对废水pH值的响应范围，降低传统有机络合剂活化纳米零价铝技术对环境的暴露风险，为纳米零价铝有氧降解有机污染物提供新思路。

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，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。

背景技术

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(E^θ(Al³⁺/A1)＝-1.662V)、零价锰(E^θ(Mn²⁺/Mn)＝-1.185V)、零价锌(E^θ(Zn²⁺/Zn)＝-0.762V)、零价铁(E^θ(Fe²⁺/Fe)＝-0.447V)、零价钴(E^θ(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，本发明的发明人经过潜心研究，首次发现以下技术方案。

发明内容

本发明的目的在于解决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。本发明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。

本发明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。