[发明专利]一种减弱金属纳米颗粒氧化的方法

说明书

技术领域

本发明提供一种减弱金属纳米颗粒氧化的方法，属于废水处理技术领域，具体为投加高分子有机电解质减弱金属纳米颗粒的氧化，提高颗粒的使用效率和处理污染物的能力。

背景技术

近年来，金属纳米颗粒用于环境污染物的治理和修复一直为国内外环境研究领域的热点课题，受到广泛关注。金属纳米颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子配位不全，具有优越的催化选择性和高反应活性，在环境污染领域得到大量应用，对于许多环境污染物的去除十分有效。但是由于金属纳米颗粒的高比表面积和强反应活性，当纳米微粒暴露在外（如与空气或其他氧化物接触）时，表面原子十分容易与氧（指所有可能的氧化剂中的氧，即活性氧[O]）结合而被氧化，甚至在空气中自燃。金属纳米颗粒作为催化剂在使用过程中，不可能即制即用，而长期放置在大气环境下，表面极易氧化而丧失活性，此时颗粒的性质发生变化。在水溶液中容易与水体中存在的溶解氧、氧化物和水发生反应，或在空气中金属纳米颗粒表面极易氧化丧失活性而产生表面钝化现象，钝化层包覆在纳米颗粒外层阻碍内层向外传递电子，不但降低其还原性能，而且阻碍与污染物的进一步反应，从而降低了处理污染物的能力，同时氧化还造成金属纳米颗粒的寿命周期变化。例如，当纳米零价铁置于水溶液中时，发生反应生成二价（Fe²⁺）和三价铁离子（Fe³⁺），并以羟基氧化铁和（或）四氧化三铁等形式沉淀出来。其核壳结构中的氧化层（FeOOH）能够与水发生反应聚集成新的混合价态（Fe²⁺-Fe³⁺）氧化层，导致Fe0含量减少，降低还原污染物的能力。纳米铝颗粒在空气中发生氧化，首先形成含纳米微晶结构的θ-Al₂O₃和γ-Al₂O₃的6 - 10 nm的微晶层，继而氧向金属内核(或金属向外表面)的扩散和氧化反应同时发生，氧化物转变成α-Al₂O₃。纳米铜颗粒在含氧环境中发生氧化反应的过程是Cu-Cu₂O- CuO，纳米镍颗粒在内部电场作用下金属离子与自由电子通过纳米颗粒氧化层的非线性扩散控制着金属表面氧化膜的生长，影响着纳米颗粒的氧化速度。而目前缺乏一种有效的方法减弱金属纳米颗粒在水溶液中的氧化。为减弱颗粒的氧化、提高污染物的处理效果、增加颗粒的运用效率，有必要寻求一种既经济又能快速实现减弱金属纳米颗粒氧化的方法。

发明内容

本发明主要是为了解决减弱金属纳米颗粒在水处理过程中氧化现象问题，提供一种减弱金属纳米颗粒氧化的方法。通过向金属纳米颗粒悬浮液中投加高分子有机电解质（絮凝剂PAM，分散剂PAA和PEG）或在制备金属纳米颗粒过程中加入高分子有机电解质，高分子有机电解质中有机官能团对纳米颗粒表面进行化学吸附或化学反应，从而使高分子有机物覆盖于金属纳米颗粒的表面起保护作用，阻止了颗粒表面高活性位点与周围的介质（溶解氧和水）反应，从而起到防止氧化效果。

本发明提出的减弱金属纳米颗粒氧化的方法，具体步骤如下：

利用计量泵向金属纳米颗粒悬浮液中投加质量浓度为0.1-3‰的高分子有机电解质溶液或在制备过程中投加质量浓度为0.1 - 3%的高分子有机电解质，高分子有机电解质投加量为混合液中金属纳米颗粒质量的0.1 - 3 %；经过混合后高分子有机电解质包覆在纳米颗粒表面，阻止颗粒表面高活性位点与周围介质的反应，减弱其与水和水中溶解氧发生反应而产生氧化现象。

本发明中，所述金属纳米颗粒为纳米铁、纳米铝、纳米银或纳米金颗粒等中任一种。

本发明中，高分子有机电解质溶液配制采用机械搅拌，G值控制在600 s^-1 - 1000 s^-1，水温控制在2 ℃- 55 ℃。

本发明中，所述高分子有机电解质为絮凝剂或分散剂，所述絮凝剂为阴离子聚丙烯酰胺（APAM）、阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）或非离子聚丙烯酰胺（NPAM）中任一种，所述分散剂为聚丙烯酸（PAA）或聚乙二醇（PEG）中任一种，分子量为400万以上。

本发明中，高分子有机电解质溶液采用蠕动泵将其投加到金属纳米颗粒悬浮液中或者在制备金属纳米颗粒过程中投加。

本发明的有益效果在于：

（1）        本发明仅需使用一定量高分子有机电解质溶液，通过混合反应包覆在表面减弱金属纳米颗粒氧化，操作简单、易于实现。