技术：纳米金废水处理工艺

技术技术||纳米金废水处理工艺纳米金废水处理工艺废水中的有机污染物氯代苯酚来源广、产量大，因苯环、氯原子和酚羟基结构的存在，使得氯代苯酚既具有亲脂性，又具有一定亲水性，因而对人类的神经系统、肝和肾等组织会造成很大损害。目前，氯代苯酚的主要处理方法有生物法、物理法、化学法和高级氧化技术，但它们在处理氯代苯酚中各自存在较大的缺点。其中，生物法不能处理包括酚和氯苯类等在内的对微生物生长繁殖有毒性或抑制性作用的较高浓度污染废水;物理法不能从根本上消除有机污染物的毒性，容易产生如泄露、渗透等环境污染事故;化学法中添加的许多化学试剂会对生物产生毒性或致癌作用，易造成二次污染;光催化氧化法作为目前主要的高级氧化法，虽能克服上述传统方法中的缺点，但仍存在光子利用率低、反应器设计复杂、光催化剂的回收和固定化技术及光催化剂的污染与活化等许多问题。与使用传统普通光源的光催化氧化法相比，脉冲激光的单色性、低散射性和高能量强度的光学特性对提高光催化反应中的光子利用率和创造有利于光催化反应的局部高温环境均具有重要的作用。此外，研究中使用的纳秒脉冲激光不会产生普通光源所具有的热效应，减少了能量损耗和冷却系统，简化了光催化体系。当下，贵金属如纳米金或纳米银已被应用于水净化处理行业。这是因为纳米金属(如金和银)颗粒受光照射后，可以产生表面等离子体共振效应，使纳米金属导带电子偏离金属原子核，出现电荷偶极作用，从而使纳米金属表面的负电荷或正电荷与有机污染物发生亲电或亲核反应。正是由于纳米金颗粒具有独特的表面等离子体共振特性和表面易于修饰的优点，研究人员已对金的催化性能进行了一些研究。此外，有学者还使用了非载体纳米金进行污染物催化降解研究，而且在脉冲激光催化降解污染物的研究中，使用的光源波长也从紫外和近紫外光区扩大到可见光区，如Gondal等(2012)使用可见光区的白光和绿脉冲激光在催化剂BiOCl的催化作用下降解了染料罗丹明B。为提高光子利用率，加快平均反应速率，快速高效降解有机污染物，避免常用处理方法的缺点，最终为废水应急处理提供一种新途径，本实验探索了水中有机污染物的脉冲激光催化降解。实验中以典型二英类似物2，4，5-TCP作为研究对象，用自制纳米金(GNPs)作催化剂，并对其进行透射电镜表征和催化活性检测。在课题组前期关于脉冲激光催化降解亚甲基蓝(MB)研究的基础上，研究反应底物2，4，5-TCP在降解MB最优化条件下的初步降解效果，包括单位能量降解率、平均反应速率、反应条件和反应启动时间等。1、实验实验1.1.1基本原理基本原理根据光催化剂的不同，用于有机化合物的氧化还原反应的光催化原理总体上可分为两类：半导体电子跃迁而产生的空穴氧化和金属表面等离子体共振效应而产生电荷偶极化的亲核或亲电反应。脉冲激光催化降解有机污染物则基于第2种光催化原理。如图1所示，纳米金颗粒吸收激光器发射的高能光子后，发生表面等离子体共振效应，导带电子偏离金原子核，发生电荷偶极化，从而一极带正电，另一极带负电。带正电的一极夺取有机化合物的电子而发生氧化反应，带负电的一极上的电子被电子捕获剂(如反应体系中的氧气或其他氧化性化合物)捕获，发生还原反应，同时使电子捕获剂活化，然后电子捕获剂将电子转移，与水反应生成羟基自由基，氧化分解有机污染物。图11有机污染物的脉冲激光催化降解机理有机污染物的脉冲激光催化降解机理1.1.2实验器材实验器材1.1.2.1.1实验材料实验材料2，4，5-TCP的分子结构式如图2所示，其他实验材料包括亚甲基蓝(MB)、30%双氧水、浓盐酸、浓硝酸、正己烷、稀盐酸、氢氧化钠、柠檬酸钠和氯金酸。使用的试剂除正己烷为色谱纯外，其它均为分析纯。所用水为超纯水，电阻率为18.2MΩ·cm。图2222，4，5-三氯苯酚分子结构式三氯苯酚分子结构式1.1.2.2实验装置实验装置脉冲激光催化反应实验装置如图3所示，主要包括Nd:YAG倍频激光发生器、激光能量计、分束器和光催化反应器等组成部分。激光器产生的266nm激光垂直平行照射到光催化反应器中心，并用磁力搅拌器匀速搅拌，实测脉冲激光光斑直径为9mm。待测样品从样品采集端口取样分析。图33脉冲激光催化反应装置脉冲激光催化反应装置1.1.3实验方法实验方法1.1.3.1.1检测方法检测方法使用气相色谱法(GC)检测2，4，5-TCP在反应溶液中的含量。将待测样品与正己烷以体积比为5∶2混合，振荡3min，然后以15000r·min-1的转速高速离心混合样品3min，4℃贮存备用，作为检测样品立刻检测。GC检测条件：氢气压力为0.1MPa，空气压力为0.15MPa;载气为0.1MPaN2，目标温度为250℃，无分流;柱箱目标温度为100℃，保持2min，然后以15℃·min-1升至250℃，保持5min;采用FID检测器，检测器