CN109553180B - 一种石油烃污染清除组合物及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石油烃污染清除组合物及其应用。所述组合物包括独立分装的过硫酸盐和铜纳米颗粒(CuNPs)胶体溶液。采用DNA模板制备的铜纳米颗粒,粒径在23±8nm,其制备方法简便、快速。过硫酸盐与DNA‑CuNPs胶体溶液的质量浓度比为0.1g/L:(10‑20)当量。本发明所提出的一种新型过硫酸盐氧化体系,可在温和的室温条件下,即可实现石油烃中难降解污染物组分多环芳烃芘的高效降解。中性偏碱性的pH范围几乎不产生化学污泥,一定程度上解决了传统均相催化体系中铁泥难于处理及大量使用导致二次污染的问题。
Description
技术领域
本发明涉及石油污染物的处理领域,具体的说,本发明涉及一种石油烃污染清除组合物及其应用。
背景技术
石油烃会污染破坏土壤结构和功能,是地表水和地下水的长期污染源,其还可能挥发后进入大气中,对人体健康造成危害。目前,石油烃污染修复技术按修复原理可分为:物理修复、化学修复、生物修复、联合修复。相比较于其他几种修复方式,化学氧化具有处理效率高、广谱性强的突出特点,且在对于微生物难降解有机污染物多环芳烃方面具有更为稳定、有效的使用效果。常用化学氧化修复药剂包括过氧化氢、芬顿试剂、臭氧、高锰酸钾和过硫酸盐等。由于过氧化氢分解速度快、在土体中存留时间短,芬顿系统反应需要强酸性条件,臭氧存在气相传质问题,高锰酸钾反应产生沉淀可能导致土壤渗透性下降,因而过硫酸盐反应体系成为目前石油烃化学修复技术发展热点方向之一。
过硫酸盐电离产生过硫酸根离子(S2O8 2-),其分子中含有过氧基(-O-O-),具有较高的氧化能力,且硫酸根自由基在溶液中的pH适应范围较为广泛,可以快速降解大多数有机污染物,将其降解化为二氧化碳和无机酸。普遍认为,过硫酸盐是一种快速、有效的石油烃污染化学修复技术,但活化条件的选择及其高效安全应用是修复是否成功的关键。
常见的过硫酸盐活化方式包括热活化、金属离子活化、碱活化、过氧化氢活化等。目前,各种方式活化的过硫酸盐作用方式及其机理虽均有差异,但大多数都是以Fe、Cu、Co、Mn等第ⅧB族过渡金属离子为主的均相类催化反应体系为主。均相催化反应体系,往往存在以下不足:1)金属离子的大量使用,会产生大量化学污泥,易造成二次污染。例如,常见的金属离子活化剂Fe2+易被氧化,生成棕红色Fe(OH)3沉淀,难以直接从介质中去除和回收;2)过渡金属离子Co2+、Mn2+等有一定的生物毒性,在场地修复中存在一定局限性,不宜用于土壤及水体的大范围治理;3)热活化虽有效,但在高温下由于产生的硫酸根自由基速度很快,彼此之间会发生淬灭,制约了自由基与污染物的接触效能并发生氧化的过程,而且热活化往往需要大量的能耗,对于较大范围的场地修复很难达到良好的处理效果;4)过氧化氢活化,同样存在氧化反应速率难以有效控制的问题,从而降低了过硫酸盐的利用率,且过氧化氢安全运输与贮藏存在高风险。
针对以上瓶颈,为防止铁污泥的生成和减少亚铁盐的投加量,许多学者利用基于固-液作用及离子溶度积原理的固体试剂,如天然存在中的铁氧化物,如针铁矿(α-FeOOH)、磁铁矿(Fe3O4)等,开发出了基于硫酸根自由基的非均相催化氧化技术。随着环境分子科学、纳米材料科学研究发展,近年来,纳米零价铁、纳米Fe3O4等经表面修饰、聚合物包覆、固体负载等制备的金属纳米颗粒,被开发成一类环境适用性更强、催化效率更高的非均相纳米催化剂,而受到研究者们青睐。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种石油烃污染清除组合物;
针对目前石油烃污染场地采用化学修复技术策略中所普遍采用的过硫酸盐氧化体系,存在含铁污泥多,缺乏高效非均相催化剂的技术难题,本发明提供了一种在室温环境下以DNA-CuNPs作为非均相催化剂强化过硫酸盐氧化剂,去除环境中难降解石油污染物组分多环芳烃的新方法。与传统均相活化方式相比,本发明提出的非均相催化体系在石油烃污染控制与修复方面具有更良好的适用性与应用性。
本发明的另一目的在于提供一种清除石油烃污染的方法。
为达上述目的,一方面,本发明提供了一种石油烃污染清除组合物,其中,所述组合物包括独立分装的过硫酸盐和DNA-CuNPs胶体溶液,过硫酸盐与DNA-CuNPs胶体溶液的质量浓度比为0.1g/L:(10-20)当量。
按标准方法,新鲜配置的1mL DNA-CuNPs混合溶液,即为1当量。
本发明中DNA-CuNPs起活化作用成分主要是纳米颗粒Cu0表面发生氧化后持续不断释放的Cu2+。Cu2+与S2O8 2-电子转移、氧化还原使得其分解产生硫酸根自由基,自由基产生稳定、利用率高、淬灭因素少,因此该体系对多环芳烃类污染物清除效果好。
体系中存在如下反应,涉及的化学方程式如下:
S2O8 2-+Cu0→2SO4 2-+Cu2+
S2O8 2-+Cu2+→SO4·-+2SO4 2-+Cu3+
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液中DNA-CuNPs胶体颗粒主体粒径约为23±8nm。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述主体粒径是占DNA-CuNPs胶体颗粒70%以上的胶体颗粒的粒径。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液是以溶液形式存在,所述溶液为pH 7.5的缓冲溶液。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液是配制后0.5h以内的DNA-CuNPs胶体溶液。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液是由包括如下步骤的方法制备得到:以单链或双链DNA为模板,在抗坏血酸和硫酸铜的存在下制备所述DNA-CuNPs胶体溶液。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液是以单链DNA-聚合胸腺嘧啶poly Tn为模板制备得到。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述聚合胸腺嘧啶poly Tn聚合度n为15-1000内任意一种。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液是由包括如下步骤的方法制备得到:用缓冲溶液稀释DNA模板,加入抗坏血酸,混合均匀,然后加入硫酸铜溶液,室温下静置反应5-20min,得到所述DNA-CuNPs胶体溶液溶液。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液是由包括如下步骤的方法制备得到:用0.9mL缓冲溶液稀释DNA模板固体粉末至500nM,加入0.05mL抗坏血酸使得抗坏血酸的浓度为2mM,混合均匀,然后加入0.05mL硫酸铜溶液使得硫酸铜的浓度为0.1mM,室温下静置反应5-20min,即可得到1当量的所述DNA-CuNPs胶体溶液。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述缓冲溶液为pH值为7.5的10mM的Tris-HCl。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述过硫酸盐选自过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钙、和过硫酸镁中的一种或多种的组合。
本发明的制备过程无需加热、回流。
另一方面,本发明还提供了一种清除石油烃污染的方法,所述方法包括使用本发明任意一项所述的石油烃污染清除组合物清除石油烃污染。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述方法包括向被石油烃污染的待处理目标物施用所述组合物,室温下处理48-72h。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述待处理目标物为被石油烃污染的中性偏碱性水体。
本发明中所提出的非均相氧化体系在中性偏碱性的pH范围有利于在水体介质中发挥良好的催化降解作用,几乎不产生化学污泥,并可在室温条件下,实现石油烃中难降解污染物组分芘的高效降解。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述水体pH值为7.5-8.0。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述方法包括将所述目标物加入到被石油烃污染的中性偏碱性水体中,室温下搅拌48-72h。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述方法包括向被石油烃污染的待处理目标物施用所述组合物,所施用的组合物中过硫酸盐的质量与被石油烃污染的待处理目标物中芘的质量比为1:(10-25)。
本发明提出的一种CuNPs-过硫酸盐氧化体系去除芘的方法,具体步骤如下所述:向含有污染物质芘的中性偏碱性水体中,加入一定量的过硫酸盐,然后一次性加入新鲜配置的经抗坏血酸还原Cu2+所得的DNA-CuNPs混合溶液,室温下搅拌,维持反应48~72h,反应结束后采用高效液相色谱(荧光检测器)分析结果(激发波长:270nm,发射波长:440nm)。
过硫酸盐与污染物芘质量浓度比为1:10~25,过硫酸盐与铜纳米颗粒质量浓度比为0.1g/L:10~20当量。按标准方法,新鲜配置的1mL DNA-CuNPs混合溶液,即为1当量。药剂配置情况,如下所述:
氧化剂:过硫酸盐,2.0-20.0mmol/L,pH 7.5。
本发明中,所述过硫酸盐为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钙、过硫酸镁中任意一种。
活化剂:DNA-CuNPs溶液。配置方法:首先,在盛有0.9mL缓冲溶液(10mM Tris-HCl,pH 7.5)的2mL EP管中,将DNA模板固体粉末稀释至500nM,加入0.5mL抗坏血酸至2mM,混合均匀;最后,加入0.5mL硫酸铜溶液至0.1mM于混合溶液中;在室温环境下,静置反应10min后,即可得到1mL CuNPs混合溶液(1当量)。铜纳米颗粒生成所需DNA模板,可包括单链DNA模板与双链DNA模板,而本发明中采用模板为单链DNA模板-聚合胸腺嘧啶poly Tn。本发明中,聚合胸腺嘧啶poly Tn聚合度n为15-1000内任意一种。DNA-CuNPs合成结果可以用透射电镜及荧光光谱表征(见附图1和3,以n=30为例)。
样品:1mg/L芘的N,N-二甲基酰胺(DMF)水溶液。先配置1000mg/L DMF溶液,再将1mL该母液稀释到水体中,再调节溶液pH至7.5即可。本发明中,调节pH所需碱为氢氧化钠。本发明所提出氧化体系pH范围在pH 7.0-9.5均可,在中性偏碱性pH 7.5~8.0效果最佳。
综上所述,本发明提供了一种石油烃污染清除组合物及其应用。本发明的组合物具有如下优点:
1、本发明所提出的一种新型过硫酸盐氧化体系,可在温和的室温条件下,即可实现石油烃中难降解污染物组分多环芳烃芘的高效降解。中性偏碱性的pH范围几乎不产生化学污泥,一定程度上解决了传统均相催化体系中铁泥难于处理及大量使用导致二次污染的问题。
2、反应体系中Cu2+浓度的增加亦是一个递进过程,在一定程度上避免了硫酸根自由基产生过快导致的自由基淬灭反应,因而该体系对污染物有效作用时间更长,提高了过硫酸盐的利用率。
3、相比于其他人工设计合成的非均相纳米催化剂,反应结束时,CuNPs几乎全部会被转化为Cu2+,从而有效避免了纳米材料添加所导致的生态环境影响。
4、DNA-CuNPs易于制备,不需要高温、高压、无氧、隔水等复杂操作过程,仅依靠“混合-添加-搅拌”形式,即可制备。随着DNA合成技术的快速进步,其成本有望进一步降低,因而该材料在实际工程应用前景广阔。
附图说明
图1为DNA-CuNPs高分辨透射电镜表征。DNA模板为聚合度n=30的聚合胸腺嘧啶poly T30。
图2为DNA-CuNPs粒径分布特征。粒径分布在23±8nm。
图3为DNA-CuNPs荧光光谱表征(激发波长340nm)。DNA模板为聚合度n=30的聚合胸腺嘧啶poly T30。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果,旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点,不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
CuNPs-过硫酸盐体系在水溶液中对芘的降解实验
将10当量新配置的DNA-CuNPs胶体溶液与1mg、2mg、5mg、10mg和20mg过硫酸钠溶于超纯水中,室温下搅拌均匀,调节体系pH至7.5;加入芘,并用超纯水稀释至体系最后体积为20mL;在室温下,继续均匀搅拌,避光反应72h后,采用高效液相色谱(荧光检测器)定量分析结果。上述投加量配方的降解率分别达到68%(72h)、100%(72h)、100%(60h)、100%(60h)、100%(48h)、100%(48h)。
10当量DNA-CuNPs胶体溶液配置方法:首先,在盛有0.9mL缓冲溶液(10mM Tris-HCl,pH 7.5)的2mL EP管中,将DNA模板固体粉末稀释至500nM,加入0.5mL抗坏血酸至2mM,混合均匀;最后,加入0.5mL硫酸铜溶液至0.1mM于混合溶液中;在室温环境下,静置反应10min后,即可得到1mL CuNPs混合溶液(1当量)。将10管1当量DNA-CuNPs胶体溶液简单倾倒混合,即可得到10当量DNA-CuNPs胶体溶液。DNA-CuNPs合成结果可以用透射电镜及荧光光谱表征(见图1和图3),粒径分布如图2所示。
实施例2
无活化剂CuNPs时,过硫酸盐在水溶液中对芘的降解实验
将10mg过硫酸钠溶于一定量的超纯水中,室温下搅拌均匀,调节体系pH至7.5,加入芘,并用超纯水稀释至体系最后体积为20mL;在室温下,继续均匀搅拌,避光反应72h后,采用高效液相色谱(荧光检测器)定量分析结果。上述投加量的配方降解率达到78%(72h)。
实施例3
无氧化剂过硫酸盐时,CuNPs在水溶液中对芘的降解实验
将10当量新配置的DNA-CuNPs胶体溶液溶于超纯水中,室温下搅拌均匀,调节体系pH至7.5;加入芘,并用超纯水稀释至体系最后体积为20mL;在室温下,继续均匀搅拌,避光反应72h后,采用高效液相色谱(荧光检测器)定量分析结果。上述投加量配方的降解率达到6%(72h)。
10当量DNA-CuNPs胶体溶液配置方法同实例1。
实施例4
CuNPs-过硫酸盐体系在实际样品中对芘的降解实验
将10当量新配置的DNA-CuNPs胶体溶液与10mg过硫酸钠溶于超纯水中,室温下搅拌均匀,调节体系pH至7.5;加入芘,并分别用超纯水、湖水或实际地下水稀释至体系最后体积为20mL;在室温下,继续均匀搅拌,避光反应72h后,采用高效液相色谱(荧光检测器)定量分析结果。上述投加量配方的降解率分别达到100%(48h)、92%(72h)、86%(72h)。
10当量DNA-CuNPs胶体溶液配置方法同实例1。
Claims (15)
1.一种石油烃污染清除组合物,其中,所述组合物包括独立分装的过硫酸盐和DNA-CuNPs胶体溶液,过硫酸盐与DNA-CuNPs胶体溶液的质量浓度比为0.1g/L:(10-20)当量;所述DNA-CuNPs胶体溶液是由包括如下步骤的方法制备得到:以单链或双链DNA为模板,在抗坏血酸和硫酸铜的存在下制备所述DNA-CuNPs胶体溶液;所述DNA-CuNPs是以单链DNA-聚合胸腺嘧啶poly Tn为模板制备得到。
2.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液中DNA-CuNPs胶体颗粒主体粒径为23±8nm。
3.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述DNA-CuNPs是以胶体溶液形式存在,所述溶液为pH 7.5的缓冲溶液。
4.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液是配制后0.5h以内的DNA-CuNPs胶体溶液。
5.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述聚合胸腺嘧啶poly Tn聚合度n为15-1000内任意一种。
6.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液是由包括如下步骤的方法制备得到:用缓冲溶液稀释DNA模板,加入抗坏血酸,混合均匀,然后加入硫酸铜溶液,室温下静置反应5-20min,得到所述DNA-CuNPs胶体溶液。
7.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述DNA-CuNPs胶体溶液是由包括如下步骤的方法制备得到:用0.9mL缓冲溶液稀释DNA模板固体粉末至500nM,加入0.05mL抗坏血酸使得抗坏血酸的浓度为2mM,混合均匀,然后加入0.05mL硫酸铜溶液使得硫酸铜的浓度为0.1mM,室温下静置反应5-20min,即可得到1当量的所述DNA-CuNPs胶体溶液。
8.根据权利要求6或7所述的组合物,其中,所述缓冲溶液为pH值为7.5的10mM的Tris-HCl。
9.根据权利要求1~7任意一项所述的组合物,其中,所述过硫酸盐选自过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钙、和过硫酸镁中的一种或多种的组合。
10.一种清除石油烃污染的方法,所述方法包括使用权利要求1~9任意一项所述的石油烃污染清除组合物清除石油烃污染。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,所述方法包括向被石油烃污染的待处理目标物施用所述组合物,室温下处理48-72h。
12.根据权利要求11所述的方法,其中,所述待处理目标物为被石油烃污染的中性偏碱性水体。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,所述水体pH值为7.5-8.0。
14.根据权利要求12所述的方法,其中,所述方法包括将所述目标物加入到被石油烃污染的中性偏碱性水体中,室温下搅拌48-72h。
15.根据权利要求10-14任意一项所述的方法,其中,所述方法包括向被石油烃污染的待处理目标物施用所述组合物,所施用的组合物中过硫酸盐的质量与被石油烃污染的待处理目标物中芘的质量比为1:(10-25)。
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