[发明专利]一种Ti3C2纳米片在处理水中高氧化性有毒金属离子的应用

说明书

技术领域

本发明涉及二维层状材料的技术领域，特别涉及一种Ti₃C₂纳米片在处理水中高氧化性有毒金属离子的应用。

背景技术

工业化的发展产生了越来越多的工业废水，如何高效地去除污水中的污染物，如有机染料、重金属、有机农药等等，成为了目前人们比较关心的环境问题。铬、锰及其化合物等强氧化物剂，在工业上得到了广泛地应用，如冶金、化工、矿物工程、电镀、制铬、颜料、制药、轻工纺织等一系列行业，但是随之而来的是大量的含有铬、锰等高氧化性物质的废水的产生。

水体中铬主要以Cr(VI)和Cr(Ⅲ)两种形式存在，Cr(VI)具有很强的迁移性和毒性，在生理pH范围内，Cr(VI)比Cr(Ⅲ)更易穿透细胞膜进入细胞，被细胞内存在的还原性物质还原为Cr(Ⅲ)。期间产生的大量的中间产物，可以与DNA反应而使DNA解旋或断裂，从而对人体造成巨大危害。此外，Cr(VI)还可诱发癌症，具有潜在的致畸和致突变作用。我国废水排放标准(GB8978-1996)中要求Cr(VI)的浓度低于0.5mg/L。世界卫生组织(WHO)“饮用水质标准”和我国“饮用净水水质标准”都明确规定饮用水中Cr(VI)含量不得大于0.05mg/L。

目前，去除水中高氧化性有毒离子，如Cr(VI)的方法有很多，其中，比较传统的有氧化还原法，如采用亚硫酸氢钠或硫酸亚铁进行处理，两种方法的理论处理能力分别为250mg/g和62.5mg/g。

比较新颖的有离子交换法、反渗透膜法、电渗析法、吸附法等。如EI-Sikaily等(EI-Sikaily,A.El Nemr,A.Khaled,O.Abdelwehab,J.Hazard.Mater.,2007,148,216-228.)采用活性炭作为吸附剂去除水中的Cr(VI)，处理能力为112.36 mg/g；又如H.L.Ma等(H.L.Ma,Y.W.Zhang,Q.H.Hu,D.Yan,Z.Z.Yu,M.L.Zhai,J.Mater.Chem.,2012,22,5914-5916.)以乙二胺还原修饰的石墨烯(ED-rGO)作为吸附剂用于去除水中的Cr(VI)，处理能力为100mg/g。

但是上述方法往往存在着许多弊端：

首先，这些方法中使用的还原剂本身就对环境不太友好，而且在去除污染物的同时会产生很多废渣以及废气，如亚硫酸钠在处理过程中会产生二氧化硫气体，会污染空气，甚至产生酸雨；

其次，目前的氧化还原法去除高氧化性有毒重金属离子对于pH的要求较高，需要在低pH值(2.5～3.0)下进行，因此还原前需要大量投酸。而沉淀重金属又要大量投碱，故成本较高。

再次，通过吸附等方法处理后得到的水中残留的高氧化性有毒离子的含量仍旧比较高，无法满足目前饮用水(WHO：0.05ppm)及农用水(0.1ppm)标准，去除能力有限。

Ti₃C₂纳米片是一种新型的二维层状材料，其在能量存储等许多领域具有较好的应用前景，如锂离子电池、超级电容器以及燃料电池。如Tang Q等(Are MXenes promising anode materials for Li ion batteries？Computational studies on electronic properties and Li storage capability of Ti₃C₂ and Ti₃C₂X₂(X＝F,OH)monolayer,Tang Q,Zhou Z,Shen P,J Am Chem Soc.2012)通过计算机模拟，研究了Ti₃C₂ and Ti₃C₂X₂纳米片在锂离子电池中的应用前景。目前，对于Ti₃C₂纳米片的应用研究还处于起步阶段。

发明内容

本发明提供了一种Ti₃C₂纳米片在处理水中高氧化性有毒金属离子的新应用，Ti₃C₂纳米片对水中Cr(VI)和Mn(VII)的去除能力强，且无需在强酸条件下进行去除，操作简单、效果显著，拓展了Ti₃C₂纳米片的应用领域。