一种基于氮掺杂碳材料电催化氧还原反应的亚砷酸盐氧化方法

本发明属于含砷地下水处理领域，涉及一种利用氮掺杂碳材料电催化双电子氧还原反应原位构建bap体系氧化地下水中as(iii)的方法。

背景技术：

1、地下水是重要的饮用水来源。但是土壤中天然存在的有毒有害元素以及地质污染导致的有害元素在一定条件下会释放到地下水中，其中砷就是分布最广，影响最深远的有害元素。国际癌症研究机构(irac)报告砷属于i类致癌物。在自然环境下矿物中的砷通过火山活动、地壳运动、风化与含水层沉积物等途径转移入自然水体中，形成砷污染。

2、地下水环境中砷主要以as(iii)与as(v)的形式存在，去除水中的as(iii)，需要将其氧化为更容易被吸附的as(v)，以达到固定砷的目的。bap体系是碳酸氢根(hco3-)与过氧化氢(h2o2)形成的氧化体系，bap体系被广泛用于水处理、有机合成等领域研究，是高效且基本无毒无害的氧化体系。且hco3-在自然水体中广泛存在，特别是地下水中。

3、电化学方法是非常高效且成本效益高、绿色无污染的污水处理方法，且设备小型化与自动化方便、更具有经济性，对于农村以及偏远地区的地下水处理有极大地优势。通过电催化双电子氧还原反应(2e-orr)产生的h2o2用于治理地下水中的污染是一种非常方便的方法。

4、cn115364823a提供了一种可修复地下水砷污染的纳米零价铁浆剂及其制备方法与应用，所述浆剂可修复地下水中的砷污染。该浆料可通过原位注入的形式对地下水进行修复。纳米零价铁浆剂的注入可能会导致地下水中铁含量超标，且更适用于酸性环境，对于偏碱性环境的作用有待进一步探究。

5、cn111389364b提供了一种能高效氧化水中三价砷的骨炭及其应用，利用牛骨制得生物质炭材料活化氧气对as(iii)进行氧化。其氧化时间为5h以上，且整体氧化率较低。在相对缺氧的地下水环境中并不适用，不能原位处理地下水中的as(iii)。

6、综上所述，本发明通过电催化2e-orr原位产生h2o2与地下水中的hco3-构建bap体系，以达到将as(iii)氧化为as(v)的目的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于氮掺杂碳材料电催化氧还原反应的亚砷酸盐氧化方法。该方案能够将as(iii)完全氧化为as(v)，实现了降低地下水毒性，同时为进一步吸附除砷提供了良好的条件。

2、为实现上述目的，本发明通过一下方案实现：

3、(1)，将制备的nc负载到碳纸上作为阴极，10×10×0.1mm铂片电极作为阴极。

4、(2)，在单电解池内加入一定量的电解液，将阴极与阳极放入电解槽，形成电解设备，在恒电压下进行电解。

5、(3)，开始电解的同时开始计时，定时取样检测as(v)浓度与h2o2浓度。

6、进一步的，本发明步骤(1)使用球磨机与管式炉制备所述nc。

7、进一步的，本发明步骤(1)使用均苯三甲酸与二氰二胺在球磨机中混匀后，置于刚玉舟中，利用管式炉进行热解制得nc。

8、进一步的，本发明步骤(1)球磨机运行频率为40hz，运行时间为1h；热解温度为800-1000℃，升温速率为5℃/min，热解在n2气氛中进行。

9、进一步的，本发明步骤(2)电解液为包含1mm as(iii)的0.1m nahco3溶液。

10、进一步的，本发明步骤(3)电解通过稳压电源供电，电压为1.8-3.0v。

技术特征：

1.一种基于氮掺杂碳材料(nc)电催化氧还原反应的地下水中as(iii)氧化方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种基于氮掺杂碳材料(nc)电催化氧还原反应的地下水中as(iii)氧化方法，其特征在于：使用行星式球磨机与管式炉制备所述氮掺杂碳基材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于氮掺杂碳材料(nc)电催化氧还原反应的地下水中as(iii)氧化方法，其特征在于：使用均苯三甲酸与二氰二胺按比例在球磨机中混合后置于管式炉中热解，热解后研磨成粉末得到nc。

4.根据权利要求3所述的一种基于氮掺杂碳材料(nc)电催化氧还原反应的地下水中as(iii)氧化方法，其特征在于：均苯三甲酸与二氰二胺的比例为1.5∶0.6～1.5∶1.2；球磨机运行时间为1h；管式炉热解温度为800℃，升温速率为5℃/min，保温时长为3h。

5.根据权利要求1所述的一种基于氮掺杂碳材料(nc)电催化氧还原反应的地下水中as(iii)氧化方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的一种基于氮掺杂碳材料(nc)电催化氧还原反应的地下水中as(iii)氧化方法，其特征在于：粘结剂为无水乙醇∶去离子水∶nafion＝750∶250∶50；混合比例为每10mgnc加入400μl粘结剂；碳纸尺寸为1×2cm，悬浮液涂覆面积为1×1cm。

7.根据权利要求1所述的一种基于氮掺杂碳材料(nc)电催化氧还原反应的地下水中as(iii)氧化方法，其特征在于：生成的h2o2与hco3-形成hco3--h2o2(bap)体系对as(iii)进行氧化。

技术总结
本发明提供了一种基于氮掺杂碳材料(NC)电催化氧还原反应的地下水中As(III)氧化方法，利用NC作为阴极材料发生双电子氧还原反应生成H2O2，与HCO3‑形成BAP体系将As(III)氧化为毒性小、易去除的As(V)。主要内容包括：S1：将制备的氮掺杂碳基材料负载到碳纸上作为阴极，以10×10×0.1mm铂片电极为阳极，在0.1M NaHCO3溶液中进行电解产生H2O2，溶液pH为8.6；S2：在0.1M NaHCO3溶液中加入1mM As(III)进行氧化，定时取样检测As(V)浓度并计算氧化率。本发明陈述了利用电催化氧还原反应原位构建HCO3‑‑H2O2(BAP)体系氧化As(III)的方法，充分利用地下水中广泛存在的HCO3‑离子将As(III)氧化为As(V)，降低地下水毒性。

技术研发人员：刘勇,韩奉伸
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14