一种利用铈铁双相负载氧化石墨烯激活单过硫酸盐去除水中内分泌干扰物的方法

摘要

一种利用铈铁双相负载氧化石墨烯激活单过硫酸盐去除水中内分泌干扰物的方法，它涉及一种去除水中内分泌干扰物的方法。本发明的目的是要解决现有去除水中内分泌干扰物的方法成本高，副产物多，吸附剂难回收和去除效率低的问题。方法：一、将单过硫酸盐与预处理的水混合；二、调节反应pH值；三、制备铈铁双相负载氧化石墨烯；四、投加铁锰双相掺杂石墨烯；五、采用外磁场分离铁锰双相掺杂石墨烯，即完成一种利用铈铁双相负载氧化石墨烯激活单过硫酸盐去除水中内分泌干扰物的方法。使用本发明的方法去除水中内分泌干扰物的去除率可达88％～97％。本发明可以去除水中残余内分泌干扰物。

说明书

技术领域

本发明涉及一种去除水中内分泌干扰物的方法。

背景技术

随着工业化进行的加快，环境污染问题越来越严重，水污染问题引起越来越多的人关 注。水中微量有机物、如酚类、苯胺等个人护理品、内分泌干扰物等；内分泌干扰物虽然 在水中含量较少，但是它们会逐渐积累与浓缩；内分泌干扰物这种稳定性高、有毒、有害 的污染物会在城市水循环过程中逐渐积累，对水质构成很大的威胁。

目前国内外去除水环境中的EDCs常用的方法包括生物法、物化法、电化学法及薄膜 过滤法。由于EDCs对生物的毒性作用，使得未经特殊驯化的微生物对其去除作用十分有 限；电化学法对该类物质的去除较为高效，但由于成本较高也难以大规模使用；膜技术作 为21世纪最有前景的水处理技术，虽被广泛应用于饮用水处理，然而较高的膜组件设备 和运行成本使其难以在大规模去除特定有机污染物中使用；物化法中的氧化和吸附，由于 操作简单，去除效率高、成本可控而在饮用水处理中得到了广泛应用，然而单独氧化工艺 或吸附工艺存在的成本较高，副产物较多，吸附剂难回收等问题，使其在应用研究中仍具 有一定局限性。

发明内容

本发明的目的是要解决现有去除水中内分泌干扰物的方法成本高，副产物多，吸附剂 难回收和去除效率低的问题，而提供一种利用铈铁双相负载氧化石墨烯激活单过硫酸盐去 除水中内分泌干扰物的方法。

一种利用铈铁双相负载氧化石墨烯激活单过硫酸盐去除水中内分泌干扰物的方法是 按以下步骤完成的：

一、将单过硫酸盐与预处理的水混合：将单过硫酸盐与预处理的水混合，再在室温下 和搅拌速度为160r/min～250r/min的条件下搅拌20min～45min，得到单过硫酸盐和预处理 的水的混合溶液；

步骤一中所述的单过硫酸盐为单过硫酸钾、单过硫酸铵、单过硫酸钠和单过硫酸钙中 的一种或其中几种的混合物；

步骤一中所述的预处理的水中内分泌干扰物的浓度为0.02mg/L～100mg/L；

步骤一中所述的单过硫酸盐的质量与预处理的水的质量比为1:(1000～10000)；

二、调节反应pH值：在搅拌速度为150r/min～200r/min的条件下使用 0.1mol/L～100mol/L的高氯酸和0.1mol/L～100mol/L的氢氧化钠溶液将单过硫酸盐和预处 理的水的混合溶液的pH值调节至6.5～7.5，得到调节pH值后的单过硫酸盐和预处理的 水的混合溶液；

三、制备铈铁双相负载氧化石墨烯：

①、将氧化石墨烯加入到质量分数为97％～99％的乙二醇溶液中，再使用超声波震荡 仪震荡分散3h～4h，得到氧化石墨烯和乙二醇的混合溶液；

步骤三①中所述的氧化石墨烯的质量与质量分数为97％～99％的乙二醇溶液的体积比 为(0.001g～10g):1mL；

②、将柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液在温度为60℃～75℃下加热20min～45min，得到 加热后的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液；再向加热后的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液中加 入FeCl₃·6H₂O、尿素和CeCl₂·6H₂O，再在室温和磁力搅拌速度为100r/min～250r/min的条 件下磁力搅拌2h～4h，得到含有铈铁的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液；

步骤三②中所述的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液中柠檬酸钠的浓度为60 mg/mL～200mg/mL；

步骤三②中所述的加热后的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液的体积与FeCl₃·6H₂O的质 量比为(1mL～1000mL):1g；

步骤三②中所述的FeCl₃·6H₂O与尿素的质量比为(0.01～100):1；

步骤三②中所述的FeCl₃·6H₂O与CeCl₂·6H₂O的质量比为(0.01～1000):1；

③、将氧化石墨烯和乙二醇的混合溶液与含有铈铁的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液混 合，再加入到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，再将不锈钢高压反应釜密封，再 将密封的不锈钢高压反应釜在温度为200℃～230℃下反应12h～48h，再自然冷却至室温， 得到黑色悬浊液；

步骤三③中所述的氧化石墨烯和乙二醇的混合溶液与含有铈铁的柠檬酸钠和乙二醇 的混合溶液的体积比为(0.1～50):1；

④、将黑色悬浊液在离心速度为6500r/min～8000r/min下进行离心分离10min～30min， 得到离心分离后的沉淀物质；分别使用甲醇和去离子水清洗离心分离后的沉淀物质5次 ～10次，再在温度为-18℃～15℃下干燥24h～48h，得到铈铁双相负载氧化石墨烯；

四、投加铈铁双相负载氧化石墨烯：将铈铁双相负载氧化石墨烯加入到调节pH值后 的单过硫酸盐和预处理的水的混合溶液中，反应时间为15min～240min，得到含有铈铁双 相负载氧化石墨烯的水；

步骤四中所述的铈铁双相负载氧化石墨烯的投加量为1mg/L～200mg/L；

五、采用外磁场分离铈铁双相负载氧化石墨烯：采用外磁场对含有铈铁双相负载氧化 石墨烯的水进行分离，回收铈铁双相负载氧化石墨烯，再使用孔径为0.45μm的玻璃纤维 膜对回收的铈铁双相负载氧化石墨烯进行过滤，再将过滤后的铈铁双相负载氧化石墨烯在 温度为50℃～75℃下干燥12h～48h，得到再生后的铈铁双相负载氧化石墨烯和去除水中内 分泌干扰物的水。

本发明的原理：

本发明中在氧化石墨烯表面存在的活泼金属铁和铈将与单过硫酸盐中的HSO₅^-或 SO₅^2-发生电子转移，从而使得单过硫酸根被裂解为·SO₄^-与OH^-；另一方面氧化石墨烯具 有巨大的比表面积，其能够吸附目标有机物的同时，表面大量的有氧官能团，如羧基所具 有的多电子基团会进一步激活单过硫酸盐，生成·SO₄^-与H₂O，从而加速目标有机物的氧 化降解。

本发明的优点：

一、本发明方法操作简单，成本低廉，与其他去除水中内分泌干扰物的方法相比，降 低了成本40％～60％；

二、本发明具有较低的挥发性，反应前后色度和嗅味不会发生变化，制备的铈铁双相 负载氧化石墨烯在常温常压下能够稳定存在；

三、本发明所合成的铈铁双相负载氧化石墨烯反应速度快，副产物无毒性，能够有效 去除水中内分泌干扰物；

四、本发明所合成的铈铁双相负载氧化石墨烯能够较容易回收及再生；五、使用本发

明的方法去除水中内分泌干扰物的去除率可达88％～97％。

本发明可以去除水中残余内分泌干扰物。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种利用铈铁双相负载氧化石墨烯激活单过硫酸盐去 除水中内分泌干扰物的方法是按以下步骤完成的：

一、将单过硫酸盐与预处理的水混合：将单过硫酸盐与预处理的水混合，再在室温下 和搅拌速度为160r/min～250r/min的条件下搅拌20min～45min，得到单过硫酸盐和预处理 的水的混合溶液；

步骤一中所述的单过硫酸盐为单过硫酸钾、单过硫酸铵、单过硫酸钠和单过硫酸钙中 的一种或其中几种的混合物；

步骤一中所述的预处理的水中内分泌干扰物的浓度为0.02mg/L～100mg/L；

步骤一中所述的单过硫酸盐的质量与预处理的水的质量比为1:(1000～10000)；

二、调节反应pH值：在搅拌速度为150r/min～200r/min的条件下使用 0.1mol/L～100mol/L的高氯酸和0.1mol/L～100mol/L的氢氧化钠溶液将单过硫酸盐和预处 理的水的混合溶液的pH值调节至6.5～7.5，得到调节pH值后的单过硫酸盐和预处理的 水的混合溶液；

三、制备铈铁双相负载氧化石墨烯：

①、将氧化石墨烯加入到质量分数为97％～99％的乙二醇溶液中，再使用超声波震荡 仪震荡分散3h～4h，得到氧化石墨烯和乙二醇的混合溶液；

步骤三①中所述的氧化石墨烯的质量与质量分数为97％～99％的乙二醇溶液的体积比 为(0.001g～10g):1mL；

②、将柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液在温度为60℃～75℃下加热20min～45min，得到 加热后的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液；再向加热后的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液中加 入FeCl₃·6H₂O、尿素和CeCl₂·6H₂O，再在室温和磁力搅拌速度为100r/min～250r/min的条 件下磁力搅拌2h～4h，得到含有铈铁的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液；

步骤三②中所述的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液中柠檬酸钠的浓度为60 mg/mL～200mg/mL；

步骤三②中所述的加热后的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液的体积与FeCl₃·6H₂O的质 量比为(1mL～1000mL):1g；

步骤三②中所述的FeCl₃·6H₂O与尿素的质量比为(0.01～100):1；

步骤三②中所述的FeCl₃·6H₂O与CeCl₂·6H₂O的质量比为(0.01～1000):1；

③、将氧化石墨烯和乙二醇的混合溶液与含有铈铁的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液混 合，再加入到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，再将不锈钢高压反应釜密封，再 将密封的不锈钢高压反应釜在温度为200℃～230℃下反应12h～48h，再自然冷却至室温， 得到黑色悬浊液；

步骤三③中所述的氧化石墨烯和乙二醇的混合溶液与含有铈铁的柠檬酸钠和乙二醇 的混合溶液的体积比为(0.1～50):1；

④、将黑色悬浊液在离心速度为6500r/min～8000r/min下进行离心分离10min～30min， 得到离心分离后的沉淀物质；分别使用甲醇和去离子水清洗离心分离后的沉淀物质5次 ～10次，再在温度为-18℃～15℃下干燥24h～48h，得到铈铁双相负载氧化石墨烯；

四、投加铈铁双相负载氧化石墨烯：将铈铁双相负载氧化石墨烯加入到调节pH值后 的单过硫酸盐和预处理的水的混合溶液中，反应时间为15min～240min，得到含有铈铁双 相负载氧化石墨烯的水；

步骤四中所述的铈铁双相负载氧化石墨烯的投加量为1mg/L～200mg/L；

五、采用外磁场分离铈铁双相负载氧化石墨烯：采用外磁场对含有铈铁双相负载氧化 石墨烯的水进行分离，回收铈铁双相负载氧化石墨烯，再使用孔径为0.45μm的玻璃纤维 膜对回收的铈铁双相负载氧化石墨烯进行过滤，再将过滤后的铈铁双相负载氧化石墨烯在 温度为50℃～75℃下干燥12h～48h，得到再生后的铈铁双相负载氧化石墨烯和去除水中内 分泌干扰物的水。

本实施方式的原理：

本实施方式中在氧化石墨烯表面存在的活泼金属铁和铈将与单过硫酸盐中的HSO₅^--或SO₅^2-发生电子转移，从而使得单过硫酸根被裂解为·SO₄^-与OH^-；另一方面氧化石墨烯 具有巨大的比表面积，其能够吸附目标有机物的同时，表面大量的有氧官能团，如羧基所 具有的多电子基团会进一步激活单过硫酸盐，生成·SO₄^-与H₂O，从而加速目标有机物的 氧化降解。

本实施方式的优点：

一、本实施方式方法操作简单，成本低廉，与其他去除水中内分泌干扰物的方法相比， 降低了成本40％～60％；

二、本实施方式具有较低的挥发性，反应前后色度和嗅味不会发生变化，制备的铈铁 双相负载氧化石墨烯在常温常压下能够稳定存在；

三、本实施方式所合成的铈铁双相负载氧化石墨烯反应速度快，副产物无毒性，能够 有效去除水中内分泌干扰物；

四、本实施方式所合成的铈铁双相负载氧化石墨烯能够较容易回收及再生；五、使用

本实施方式的方法去除水中内分泌干扰物的去除率可达88％～97％。

本实施方式可以去除水中残余内分泌干扰物。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的内分泌干 扰物为雌酮、17α-乙炔基雌二醇、17α-雌二醇、17β-雌二醇、雌三醇、己烯雌酚、壬基酚、 双酚A和辛基酚中的一种或其中几种的混合物。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤三①中所述 的超声波震荡仪的功率为100W～1000W。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤四中所述的 外磁场强度为0.01T～1T。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中所述的 单过硫酸盐的质量与预处理的水的质量比为1:(1000～5000)。其他步骤与具体实施方式一 至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一中所述的 单过硫酸盐的质量与预处理的水的质量比为1:(5000～8000)。其他步骤与具体实施方式一 至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤四中所述的 铈铁双相负载氧化石墨烯的投加量为0.02mg/L～10mg/L。其他步骤与具体实施方式一至六 相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤四中所述的 铈铁双相负载氧化石墨烯的投加量为10mg/L～100mg/L。其他步骤与具体实施方式一至七 相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤四中所述的 铈铁双相负载氧化石墨烯的投加量为100mg/L～200mg/L。其他步骤与具体实施方式一至 八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤三①中所述 的氧化石墨烯的粒径为15nm～500nm。其他步骤与具体实施方式一至九相同。

采用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：一种利用铁锰双相掺杂石墨烯激活单过硫酸盐去除水中内分泌干扰物的方法

一、将单过硫酸盐与预处理的水混合：将单过硫酸盐与预处理的水混合，再在室温下 和搅拌速度为180r/min的条件下搅拌30min，得到单过硫酸盐和预处理的水的混合溶液；

步骤一中所述的单过硫酸盐为单过硫酸钾；

步骤一中所述的内分泌干扰物为雌三醇；

步骤一中所述的预处理的水中内分泌干扰物的浓度为5mg/L；

步骤一中所述的单过硫酸盐的质量与预处理的水的质量比为1:1500；

二、调节反应pH值：在搅拌速度为180r/min的条件下使用0.1mol/L的高氯酸和 0.1mol/L的氢氧化钠溶液将单过硫酸盐和预处理的水的混合溶液的pH值调节至6.5，得 到调节pH值后的单过硫酸盐和预处理的水的混合溶液；

三、制备铈铁双相负载氧化石墨烯：

①、将氧化石墨烯加入到质量分数为99％的乙二醇溶液中，再使用超声波震荡仪震 荡分散3h，得到氧化石墨烯和乙二醇的混合溶液；

步骤三①中所述的氧化石墨烯的粒径为25nm；

步骤三①中所述的氧化石墨烯的质量与质量分数为99％的乙二醇溶液的体积比为 0.005g:1mL；

步骤三①中所述的超声波震荡仪的功率为200W；

②、将50mL柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液在温度为60℃下加热20min，得到加热后 的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液；再向加热后的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液中加入 FeCl₃·6H₂O、尿素和CeCl₂·6H₂O，再在室温和搅拌速度为200r/min的条件下磁力搅拌2h， 得到含有铈铁的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液；

步骤三②中所述的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液中柠檬酸钠的浓度为60mg/mL；

步骤三②中所述的加热后的柠檬酸钠和乙二醇的混合溶液的体积与FeCl₃·6H₂O的质 量比为50mL:1g；

步骤三②中所述的FeCl₃·6H₂O与尿素的质量比为50:1；

步骤三②中所述的FeCl₃·6H₂O与CeCl₂·6H₂O的质量比为5:1；

③、将50mL氧化石墨烯和乙二醇的混合溶液与50mL含有铈铁的柠檬酸钠和乙二醇 的混合溶液混合，再加入到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，再将不锈钢高压反 应釜密封，再将密封的不锈钢高压反应釜在温度为200℃下反应12h，再自然冷却至室温， 得到黑色悬浊液；

④、将黑色悬浊液在离心速度为6500r/min下进行离心分离10min，得到离心分离后 的沉淀物质；分别使用甲醇和去离子水清洗离心分离后的沉淀物质6次，再在温度为-18 ℃下冷冻干燥24h，得到铈铁双相负载氧化石墨烯；

四、投加铈铁双相负载氧化石墨烯：将铈铁双相负载氧化石墨烯加入到调节pH值后 的单过硫酸盐和预处理的水的混合溶液中，反应时间为60min，得到含有铈铁双相负载氧 化石墨烯的水；

步骤四中所述的铈铁双相负载氧化石墨烯的投加量为10mg/L；

步骤四中所述的外磁场强度为0.03T；

五、采用外磁场分离铈铁双相负载氧化石墨烯：采用外磁场对含有铈铁双相负载氧化 石墨烯的水进行分离，回收铈铁双相负载氧化石墨烯，再使用孔径为0.45μm的玻璃纤维 膜对回收的铈铁双相负载氧化石墨烯进行过滤，再将过滤后的铈铁双相负载氧化石墨烯在 温度为50℃下干燥24h，得到再生后的铈铁双相负载氧化石墨烯和去除水中内分泌干扰物 的水。

本试验的优点：

一、本试验方法操作简单，成本低廉，与其他去除水中内分泌干扰物的方法相比，降 低了成本45％；

二、本试验具有较低的挥发性，反应前后色度和嗅味不会发生变化，制备的铁锰双相 掺杂石墨烯在常温常压下能够稳定存在；

三、本试验所合成的铁锰双相掺杂石墨烯反应速度快，副产物无毒性，能够有效去除 水中内分泌干扰物；

四、本试验所合成的铁锰双相掺杂石墨烯能够较容易回收及再生；

五、使用本试验的方法去除水中内分泌干扰物的去除率可达96％。

试验二：使用活性炭去除水中内分泌干扰物的对比试验，具体是按以下步骤完成的：

使用粒径为4nm～100nm的煤质颗粒活性炭吸附预处理水中的内分泌干扰物24h，得 到去除水中内分泌干扰物的水；

所述的预处理水中内分泌干扰物为雌三醇，雌三醇的浓度为5mg/L。

试验二中使用粒径为4nm～100nm的煤质颗粒活性炭吸附去除预处理水中内分泌干 扰物的去除率为53％。

试验三：使用紫外光和H₂O₂去除水中内分泌干扰物的对比试验，具体是按以下步骤 完成的：

向预处理的水中投加浓度为10mmol/L的H₂O₂，在紫外光强250uW/cm²的紫外光照 射预处理的水0.5h，得到去除水中内分泌干扰物的水；

所述的预处理水中内分泌干扰物为雌三醇，雌三醇的浓度为5mg/L；

试验三使用紫外光和H₂O₂去除预处理水中内分泌干扰物的去除率为68％。

试验四：使用过硫酸钠去除水中内分泌干扰物的对比试验，具体是按以下步骤完成的：

向预处理水中投加2mg/L的过硫酸钠，反应2h，得到去除水中内分泌干扰物的水；

所述的预处理水中内分泌干扰物为雌三醇，雌三醇的浓度为5mg/L；

试验四使用过硫酸钠去除预处理水中内分泌干扰物的去除率为9％。

试验二使用煤质颗粒活性炭去除预处理水中内分泌干扰物、试验三使用紫外光和 H₂O₂去除预处理水中内分泌干扰物和试验四使用过硫酸钠去除预处理水中内分泌干扰物 的去除率分别为53％、68％和9％，而试验一的去除率为96％，证明试验一对于去除预处 理水中内分泌干扰物效果极佳。