一种碳量子点强化高价态金属氧化的水处理方法

本发明属于水处理；具体涉及一种碳量子点强化高价态金属氧化的水处理方法。

背景技术：

1、随着社会的不断进步，人类的活动引发了越来越多的环境污染问题，尤其是一些具有高风险、对生态安全存在潜在威胁的有机物被排放进入水体中，造成了严重的水环境污染。高级氧化技术是一种高效的有机物深度处理的化学技术，常用的氧化剂包括臭氧，过硫酸盐，芬顿体系，类芬顿体系，高价态金属等。其中，以高铁酸盐和高锰酸盐为代表的高价态金属氧化物，由于其具有较高的氧化还原电位，且其还原后的产物具有较好的吸附能力，因此被认为是一种绿色，多功能，高效的氧化剂。尽管高价态金属氧化剂可以氧化降解许多种类的有机污染物，但是其效能在一些反应中并不高。中间价态的铁(四价铁fe(iv)、五价铁fe(v))和中间价态的锰(三价锰mn(iii)、四价锰mn(iv)、五价锰mn(v)、六价锰mn(vi))由于具有更高的反应活性，因此大量研究聚焦于用还原性物质去激发高价态金属氧化剂产生中间态活性物种，例如金属类(二价锰mn(ii)、二价铁fe(ii)、二价钴co(ii))，非金属类(亚硫酸盐so32-,硫代硫酸盐s2o32-,羟胺nh2oh)和碳质材料(碳纳米管，石墨烯，生物碳，水热炭)。其中近年来，随着双碳政策的推进，以碳基催化剂为代表的碳的循环利用蓬勃发展。碳质材料根据维度可以分为零维(例如碳量子点)、一维(例如碳纳米管)、二维(例如石墨烯)和三维(例如生物炭)。虽然表征实验和探针化合物实验证明了一维、二维、三维碳材料上的羰基c＝o官能团是激发高价态金属氧化剂产生中间态活性物种的活性位点，但是以该碳材料激发产生中间态氧化活性物种会消耗氧化剂，同时，在实际水体中，复杂的水体环境会消耗氧化剂，造成氧化剂利用效率低下。因此，寻求更高效可持续和绿色的碳材料强化高价态金属氧化剂是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决上述存在的技术问题，而提供一种碳量子点强化高价态金属氧化的水处理方法。

2、一种碳量子点强化高价态金属氧化的水处理方法，按以下过程实现：

3、向待处理受污染水中依次加入碳量子点溶液和高锰酸钾或高铁酸钾，在搅拌条件下处理10～60min，即完成所述水处理方法。

4、进一步的，所述碳量子点溶液在待处理受污染水中的浓度为2～20mg/l。

5、进一步的，所述高锰酸钾或高铁酸钾在待处理受污染水中的浓度为30～100μmol/l。

6、进一步的，所述待处理受污染水的ph值为4～9。

7、进一步的，所述碳量子点溶液的制备方法：采用现有微波合成法、热分解法、水热处理法、模版路径法、等离子体处理法、弧放电处理法、激光烧蚀法、电化学氧化法、化学氧化法或超声合成法进行制备。

8、本发明的原理主要如下：

9、本发明通过亚砜探针实验证明，在高铁酸盐/碳量子点体系中，中间态fe(iv)、fe(v)为活性物种之一，但不是引起强化效果的原因。通过开路电压实验证明，涂覆碳量子点的玻碳电极氧化还原电位高于未涂覆的玻碳电极，并且，随着分别先后加入高铁酸钾和有机污染物(苯酚)，实验表明反应体系电压下降，证明有机物消耗了氧化剂。此外，开路电流实验也证明，在以涂覆碳量子点的玻碳电极为工作电极的三电极反应体系中，加入高铁酸钾使电流瞬间下降；随后加入有机污染物，电流进一步显著下降，说明有机物上的电子可以通过碳量子点传递给高铁酸钾，介导了直接电子转移。本发明中碳量子点具有导电性，将碳量子点和高铁酸钾结合后可以产生新的直接电子转移机制，进而促进电子利用效率，提高对有机物的氧化效能。

10、本发明通过亚砜探针实验和紫外-可见光光谱实验证明，在高锰酸盐/碳量子点体系中，中间态锰不是起强化效果的活性物种。通过开路电压实验证明，涂覆碳量子点的玻碳电极氧化还原电位高于未涂覆的玻碳电极，并且，随着分别先后加入高锰酸钾和有机污染物(双氯芬酸)，实验表明反应体系电压下降，证明有机物消耗了氧化剂。此外，开路电流实验也证明，在以涂覆碳量子点的玻碳电极为工作电极的三电极反应体系中，加入高锰酸钾使电流瞬间下降；随后加入有机物，电流又进一步显著下降，说明有机物上的电子可以通过碳量子点传递给高锰酸钾，介导了直接电子转移。本发明中碳量子点具有导电性，将碳量子点和高锰酸钾结合后可以产生新的直接电子转移机制，进而促进电子利用效率，提高对有机物的氧化效能。

11、本发明的有益效果：

12、1、本发明以酚类物质(苯酚(phenol)，双酚a(bpa)，四氯酚(4-cp)，对羟基苯甲酸(p-hba)，抗生素类物质(磺胺甲基异噁唑(smx)，布洛芬(ibp)，双氯芬酸(dcf))为例，通过实验证实碳量子点强化高铁酸钾(fe(vi)+cqds)去除有机污染物提高了10～40％的效果，反应速率提升了1.1～22.8倍；碳量子点强化高锰酸钾去除有机污染物提高了0.1～6.4倍的效果。同时，高价态金属氧化后产生的铁锰氧化物耦合碳量子点，利于实现固液分离，不会产生二次污染。此外，通过实验探究了不同水质背景下(氯离子cl-、磷酸氢根离子h2po4-、硫酸根so42-、碳酸氢根离子hco3-、钙离子ca2+、镁离子mg2+、腐殖酸ha以及实际水体)的去除效能变化，发现了碳量子点强化高价态金属氧化的水处理方法具有很好的抗水质变化干扰能力，且碳量子点强化高铁酸钾/高锰酸钾均提高了反应速率，有利于本发明方法在实际工程中的应用。

13、2、本发明通过实验证明，碳量子点强化高价态金属氧化的水处理方法具有宽泛的ph应用范围，在ph 4～8范围内去除效果均非常优异。

14、本发明中碳量子点强化高价态金属氧化的水处理方法，对于高铁酸钾体系，所述待处理受污染水的最优ph值范围为4～8，且范围内处理效果接近一致；对于高锰酸钾体系，所述待处理受污染水的最优ph值为4，处理效果随着ph的逐渐升高基本维持稳定，仅仅在反应速率上有降低。

15、3、本发明通过实验证明，碳量子点强化高价态金属氧化的水处理方法具有优异的氧化效能和较快的反应速率。高铁酸钾/碳量子点体系中，对有机污染物提高了10～40％的去除效果，氧化反应速率提升了1.1～22.8倍。高锰酸钾/碳量子点体系中，对有机污染物提升了0.1～6.4倍的去除效果。

16、4、本发明具有很好的抗水质变化干扰能力，在不同水质背景下(氯离子、磷酸氢根离子、碳酸氢根离子、钙离子、镁离子、腐殖酸以及实际水体)，对于高铁酸钾/碳量子点体系，其去除效能相较于未强化体系依然得到了明显提升；对于高锰酸钾/碳量子点体系，其去除效果基本不受背景因素影响，甚至在磷酸氢根离子存在情况下，去除效果得到进一步增强。在实际水体中的实验也证明，高铁酸钾/碳量子点体系优于单独高铁酸钾体系；高锰酸钾/碳量子点体系优于单独高锰酸钾体系。以上效果证明了碳量子点强化高价态金属氧化的水处理方法有利于在实际工程中的应用。

17、5、本发明强化了电子转移效率，提高了氧化剂利用效率，增强了对水中有机污染物的降解效果，同时提高了反应的速率。

18、本发明适用于水处理。