CN116081778A - 一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法 - Google Patents
一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法。一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法,为:将全氟或多氟烷基类污染物的水溶液置于等离子体反应器中,进行等离子体放电处理后,产生氟掺杂的粉末颗粒,进行分离回收。本发明所述的一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法,将含全氟或多氟烷基类化合物的废水进行等离子体处理,实现对全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的回收。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法。
背景技术
全氟或多氟烷基类化合物(PFAS)具有环境持久性、生物累积性和生物毒性(PBT)。PFAS具有较强的C-F键,这是有机化学中最强的化学键之一,这意味着它们可在环境中持久存在,在使用时以及在环境中几乎不被生物降解,会对环境和人类健康造成严重和不可逆转的影响,被列入新型持久性有机污染物。这些化合物的化学性质赋予它们独特的特性,例如热稳定性和防水防油能力,使其可用于各种工业和消费品。例如,织物防污剂、织物防水、不粘炊具、食品包装、润滑剂、灭火泡沫。
有报道称,全氟辛酸和全氟辛烷磺酸会导致癌症。此外,世界卫生组织(WHO)发现全氟辛酸可能对人类有致癌作用。而由于全氟或多氟烷基类化合物的广泛使用,从而也就存在其所导致的污染,常见于水中。因此,针对全氟或多氟烷基类化合物,开发高效、经济的废水处理和转化技术至关重要。
有鉴于此,本发明提出一种新的从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法,将低温等离子体技术应用在水体处理领域,来实现废水中氟元素的回收。
发明内容
本发明的目的在于提供一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法,将含全氟或多氟烷基类化合物的废水进行等离子体处理,来实现废水中氟元素的回收。
为了实现上述目的,所采用的技术方案为:
一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法,为:将全氟或多氟烷基类污染物的水溶液置于等离子体反应器中,进行等离子体放电处理后,产生氟掺杂的粉末颗粒,进行分离回收。
进一步的,所述的全氟或多氟烷基类污染物为以下化合物中的至少一种:全氟十二酸、全氟十一酸、全氟癸酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟庚酸、全氟己酸、全氟戊酸、七氟丁酸、五氟丙酸、三氟乙酸以及对应的酸铵、磺酸、酰卤和盐类。
进一步的,所述的等离子体放电处理前,向反应器中添加载体。
再进一步的,所述的载体为碳材料、金属有机骨架框架材料、共价有机框架材料。
再进一步的,所述的碳材料为活性炭、石墨、碳纳米管、石墨烯、炭黑中的一种。
进一步的,所述的等离子体放电处理在曝气气氛中进行。
再进一步的,所述的曝气气氛为:空气、氧气、氮气、氩气中的一种。
进一步的,所述的等离子体放电处理为单极脉冲电压,电压强度为1kV-50kV,脉冲频率为50Hz-20kHz。
进一步的,所述的分离回收为:过滤、离心、冷冻干燥。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1、本发明的技术方案是一种将全氟或多氟烷基类化合物污染物的氟元素从水中回收的技术方案,不需要添加其他有毒有害化学试剂(中和剂、强氧化剂、还原剂、表面活性剂)、不产生二次污染、装置结构简单、处理范围广、放电条件温和、成本低,是一种绿色环保的工艺。
2、本发明的技术方案将全氟和多氟烷基类化合物废水中的氟元素回收,回收制备得到的氟掺杂材料可以作为催化剂使用,可以达到废物循环再利用的目的,对于解决氟化物引起的日益严重的环境污染问题,具有非常重要的意义。
附图说明
图1为等离子体反应器示意图;
图2为等离子体处理PFAS水溶液后产生粉末的照片;
图3为制备得到的氟掺杂碳材料的X射线光电能谱;
图4为制备得到的氟掺杂石墨的X射线衍射图;
图5为制备得到的氟掺杂石墨烯的透射电镜和氟元素能谱面扫图;
图6为全氟辛酸溶液处理前后的高效液相色谱对比图;
图7为使用回收的氟掺杂碳材料催化电化学氧析出反应的LSV线扫图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法,达到预期发明目的,以下结合较佳实施例,对依据本发明提出的一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法,其具体实施方式、结构、特征及其功效,详细说明如后。在下述说明中,不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外,一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
在详细阐述本发明一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法之前,有必要对本发明中提及的相关材料做进一步说明,以达到更好的效果。
全氟十二酸,分子式C12HF23O2,分子量614.0984,CAS号为307-55-1。
全氟十一酸,分子式C11HF21O2,分子量564.09,CAS号为2058-94-8。
全氟癸酸,分子式C10HF19O2,分子量514.083,CAS号为335-76-2。
全氟壬酸,分子式C9HF17O2,分子量464.076,CAS号为375-95-1。
全氟辛酸,分子式为C8HF15O2,分子量414.07,CAS号为335-67-1。
全氟庚酸,分子式为C7HF13O2,分子量364.0609,CAS号为375-85-9。
全氟己酸,分子式C6HF11O2,分子量314.053,CAS号为307-24-4。
全氟戊酸,分子式C5HF9O2,分子量264.0459,CAS号为2706-90-3。
七氟丁酸,分子式C4HF7O2,分子量214.038,CAS号为375-22-4。
五氟丙酸,分子式C3HO2F5,分子量164.03,CAS号为422-64-0。
三氟乙酸,分子式C2HF3O2,分子量114.02,CAS号为76-05-1。
全氟辛烷磺酸,分子式C8HF17O3S,分子量500.130,CAS号为1763-23-1。
七氟丁酸钠,分子式C4F7NaO2,分子量236.020,CAS号为2218-54-4。
全氟辛烷磺酰氯,分子式C8ClF17O2S,分子量518.575,CAS号为423-60-9。
石墨,黑色固体,分子式C,分子量12.01,CAS号为7782-42-5。具有耐高温性,导电、导热性,润滑性,化学稳定性,可塑性,抗热震性的性质。
石墨烯,具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。
活性炭,具有物理吸附和化学吸附的双重特性,可以选择性吸附气相、液相中的物质以用来去污提纯等。同时也可作为催化剂载体。
碳纳米管,具有较大的比表面积,是最有潜力的储氢材料,在燃料电池方面有着重要的作用。同时,在分散和稳定纳米级的金属小颗粒方面也起着重要作用。由碳纳米管制得的催化剂可以改善多相催化的选择。
炭黑,是一种无定形碳,黑色粉末,表面积非常大。是含碳物质不完全燃烧或受热分解而得的产物。
金属-有机骨架(MOFs)是一类新型的孔容大、比表面积高、具有三维孔结构的有机-无机杂化材料,广泛应用于单原子催化剂合成、污染物吸附和催化等领域的研究中。
共价有机框架(COFs)是新兴的晶态多孔材料,由轻质的有机分子基元,通过全共价键连接而形成二维或三维的网络结构,故具有优异结构可裁剪性和功能可调性,以及低骨架密度、高孔隙率、开放的孔道结构等优点,多用于气体储存、吸附分离、光电转化、多相催化等功能。
在了解了本发明中提及的相关材料之后,下面将结合具体的实施例,对本发明一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法做进一步的详细介绍:
低温等离子体技术是一种新兴的材料合成、改性和污水处理技术,近年来已广泛应用于环境修复和材料制备领域。低温等离子体中含有许多高能粒子和自由基等活性物种,可去除环境中各种污染物,具有经济实用、简便易行、无二次污染等优点。本发明利用等离子体技术处理含有全氟或多氟烷基化合物的废水,所采用的技术方案为:
一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法,包括以下步骤:
(1)将全氟或多氟烷基类污染物的水溶液置于等离子体反应器;
(2)向反应器中添加或不添加载体;可选择性曝气或不曝气。
(3)将反应器、示波器与电源连接。接通电极两端电源,调节电源信号参数,激发等离子体,进行连续稳定放电;
(4)反应器中有粉末颗粒产生,经分离得到氟掺杂材料,实现氟元素的回收。
优选的,所述的全氟或多氟烷基类污染物为以下化合物中的至少一种:全氟十二酸、全氟十一酸、全氟癸酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟庚酸、全氟己酸、全氟戊酸、七氟丁酸、五氟丙酸、三氟乙酸以及对应的酸铵、磺酸、酰卤和盐类。
优选的,所述的等离子体反应器结构如图1所示。反应器包括腔室、进液口、排液口、进气口(曝气盘、曝气阀)、排气口、对电极。对电极可单对使用,也可以多对电极并排使用。
优选的,所述的等离子体放电处理前,向反应器中添加载体。
进一步优选的,所述的载体为碳材料、金属有机骨架框架材料、共价有机框架材料。
进一步优选的,所述的碳材料为活性炭、石墨、碳纳米管、石墨烯、炭黑中的一种。
优选的,所述的等离子体放电处理在曝气气氛中进行。
进一步优选的,所述的曝气气氛为:空气、氧气、氮气、氩气中的一种。
优选的,所述的等离子体放电处理为单极脉冲电压,电压强度为1kV-50kV,脉冲频率为50Hz-20kHz。
由于本申请针对的全氟或多氟烷基类污染物为长链含氟污染物,相较于短链的含氟污染物会直接作用在基底上,本发明的等离子放电处理的过程为首先被等离子体击碎,再作用在基底上。
优选的,所述的分离回收为:过滤、离心或冷冻干燥。
实施例1.
具体操作步骤如下:
(1)将全氟或多氟烷基类污染物的水溶液置于等离子体反应器中,并向反应器中添加或不添加载体;可选择性曝气或不曝气。
所述的全氟或多氟烷基类污染物为以下化合物中的至少一种:全氟十二酸、全氟十一酸、全氟癸酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟庚酸、全氟己酸、全氟戊酸、七氟丁酸、五氟丙酸、三氟乙酸以及对应的酸铵、磺酸、酰卤和盐类。
所述的载体为:碳材料(活性炭、石墨、碳纳米管、石墨烯、炭黑)、金属有机骨架框架材料(MOF)、共价有机框架材料(COF)。
所述的曝气气氛为:空气、氧气、氮气、氩气中的至少一种。
(2)接通电源,调整输入电压类型为单极脉冲电压,将放电电压调节至1kV-50kV,放电频率为50Hz-20kHz,激发等离子体并维持连续稳定放电后,关闭脉冲电源,切断通电线路。有粉末颗粒产生。
(3)将反应器中经等离子体处理过的废水倒入烧杯中,自然冷却、静置后,经过滤、离心处理5次后,将洗涤后的产物冷冻干燥12h,干燥后得到氟掺杂的碳材料粉末。
实施例2:从水溶液回收全氟己酸中的氟元素
具体操作步骤如下:
(1)配制质量浓度为2000ppm的全氟己酸溶液。称取2g全氟己酸,加入1L去离子水中。采用磁力搅拌,磁力搅拌转速为500r/min,搅拌时间为0.5小时,通过磁力搅拌使全氟己酸完全溶解在去离子水中,得到全氟己酸水溶液,转移至等离子体反应器中。
(2)向反应器中添加活性炭载体10g,并通过曝气盘连续通入氧气。
(3)接通电源,调整输入电压类型为单极脉冲电压,将放电电压调节至10kV,放电频率为3kHz,激发等离子体并维持连续稳定放电60min后,关闭脉冲电源,切断通电线路。反应后,溶液底部的氟掺杂碳材料的照片如图2所示。
(4)将反应器中经等离子体处理过的废水倒入烧杯中,自然冷却、静置后,经过滤、离心处理5次后,将洗涤后的产物冷冻干燥12h,干燥后得到氟掺杂的碳材料粉末。
实施例3:从水溶液回收全氟辛烷磺酸中的氟元素
具体操作步骤如下:
(1)配制质量浓度为500ppm的全氟辛烷磺酸溶液。称取1g全氟辛烷磺酸,加入2L去离子水中。采用磁力搅拌,磁力搅拌转速为300r/min,搅拌时间为1小时,通过磁力搅拌使全氟辛烷磺酸完全溶解在去离子水中,得到全氟辛烷磺酸水溶液,转移至等离子体反应器中。
(2)向反应器中添加石墨烯载体5g,并通过曝气盘连续通入空气。
(3)接通电源,调整输入电压类型为单极脉冲电压,将放电电压调节至12kV,放电频率为300Hz,激发等离子体并维持连续稳定放电70min后,关闭脉冲电源,切断通电线路。
(4)将反应器中经等离子体处理过的废水倒入烧杯中,自然冷却、静置后,经过滤、离心处理5次后,将洗涤后的产物冷冻干燥12h,干燥后得到氟掺杂的碳材料粉末。制备得到的氟掺杂碳材料的X射线衍射图如附图3所示,说明处理过程石墨烯结构稳定。
实施例4:从水溶液回收三氟乙酸中的氟元素
具体操作步骤如下:
(1)配制质量浓度为1000ppm的三氟乙酸溶液。称取1.5g三氟乙酸,加入1.5L去离子水中。采用磁力搅拌,磁力搅拌转速为350r/min,搅拌时间为0.5小时,通过磁力搅拌使三氟乙酸完全溶解在去离子水中,得到三氟乙酸水溶液,转移至等离子体反应器中。
(2)向反应器中添加碳纳米管载体10g,并通过曝气盘连续通入氮气。
(3)接通电源,调整输入电压类型为单极脉冲电压,将放电电压调节至14kV,放电频率为500Hz,激发等离子体并维持连续稳定放电90min后,关闭脉冲电源,切断通电线路。
(4)将反应器中经等离子体处理过的废水倒入烧杯中,自然冷却、静置后,经过滤、离心处理5次后,将洗涤后的产物冷冻干燥12h,干燥后得到氟掺杂的碳材料粉末。制备得到的氟掺杂碳纳米管的X射线光电能谱如附图4所示,C-F键存在说明材料中含有氟元素。
实施例5:从水溶液回收七氟丁酸钠中的氟元素
具体操作步骤如下:
(1)配制质量浓度为3000ppm的七氟丁酸钠溶液。称取3.6g七氟丁酸钠,加入1.2L去离子水中。采用磁力搅拌,磁力搅拌转速为400r/min,搅拌时间为1.5小时,通过磁力搅拌使七氟丁酸钠完全溶解在去离子水中,得到七氟丁酸钠水溶液,转移至等离子体反应器中。
(2)向反应器中添加石墨烯载体25g,并通过曝气盘连续通入氩气。
(3)接通电源,调整输入电压类型为单极脉冲电压,将放电电压调节至15kV,放电频率为600Hz,激发等离子体并维持连续稳定放电40min后,关闭脉冲电源,切断通电线路。
(4)将反应器中经等离子体处理过的废水倒入烧杯中,自然冷却、静置后,经过滤、离心处理5次后,将洗涤后的产物冷冻干燥12h,干燥后得到氟掺杂的石墨烯材料粉末。制备得到的氟掺杂石墨烯的透射电镜和氟元素能谱面扫图如附图5所示。
实施例6:从水溶液回收全氟辛酸中的氟元素
具体操作步骤如下:
(1)配制质量浓度为2000ppm的全氟辛酸溶液。称取4g全氟辛酸,加入2L去离子水中。采用磁力搅拌,磁力搅拌转速为450r/min,搅拌时间为1小时,通过磁力搅拌使全氟辛酸完全溶解在去离子水中,得到全氟辛酸水溶液,转移至等离子体反应器中。
(2)向反应器中添加ZIF-8载体30g,不曝气。
(3)接通电源,调整输入电压类型为单极脉冲电压,将放电电压调节至17kV,放电频率为1000Hz,激发等离子体并维持连续稳定放电30min后,关闭脉冲电源,切断通电线路。
(4)将反应器中经等离子体处理过的废水倒入烧杯中,自然冷却、静置后,经过滤、离心处理5次后,将洗涤后的产物冷冻干燥12h,干燥后得到氟掺杂的ZIF-8材料粉末。全氟辛酸溶液处理前后的高效液相色谱对比图如附图6所示,说明溶液中的氟原素减少了。
实施例7:从水溶液回收全氟辛烷磺酰氯中的氟元素
具体操作步骤如下:
(1)配制质量浓度为2500ppm的全氟辛烷磺酰氯溶液。称取2.5g全氟辛烷磺酰氯,加入1L去离子水中。采用磁力搅拌,磁力搅拌转速为330r/min,搅拌时间为2小时,通过磁力搅拌使全氟辛烷磺酰氯完全溶解在去离子水中,得到全氟辛烷磺酰氯水溶液,转移至等离子体反应器中。
(2)向反应器中添加炭黑载体35g,不曝气。
(3)接通电源,调整输入电压类型为单极脉冲电压,将放电电压调节至16kV,放电频率为5000Hz,激发等离子体并维持连续稳定放电50min后,关闭脉冲电源,切断通电线路。
(4)将反应器中经等离子体处理过的废水倒入烧杯中,自然冷却、静置后,经过滤、离心处理5次后,将洗涤后的产物冷冻干燥12h,干燥后得到氟掺杂的碳材料粉末。使用回收的氟掺杂碳材料催化电化学氧析出反应的LSV线扫图如附图7所示,说明合成的材料具有电催化性能。
实施例8:从水溶液回收全氟十二酸中的氟元素
具体操作步骤如下:
(1)配制质量浓度为5000ppm的全氟十二酸溶液。称取5g全氟十二酸,加入1L去离子水中。采用磁力搅拌,磁力搅拌转速为330r/min,搅拌时间为2小时,通过磁力搅拌使全氟十二酸完全溶解在去离子水中,得到全氟十二酸水溶液,转移至等离子体反应器中。
(2)向反应器中添加石墨载体40g,并通过曝气盘连续通入氮气。
(3)接通电源,调整输入电压类型为单极脉冲电压,将放电电压调节至1kV,放电频率为20kHz,激发等离子体并维持连续稳定放电50min后,关闭脉冲电源,切断通电线路。
(4)将反应器中经等离子体处理过的废水倒入烧杯中,自然冷却、静置后,经过滤、离心处理5次后,将洗涤后的产物冷冻干燥12h,干燥后得到氟掺杂的碳材料粉末。
实施例9:从水溶液回收五氟丙酸中的氟元素
具体操作步骤如下:
(1)配制质量浓度为3000ppm的五氟丙酸溶液。称取3.0g五氟丙酸,加入1L去离子水中。采用磁力搅拌,磁力搅拌转速为330r/min,搅拌时间为1小时,通过磁力搅拌使五氟丙酸完全溶解在去离子水中,得到五氟丙酸水溶液,转移至等离子体反应器中。
(2)向反应器中添加COF-5载体30g。
(3)接通电源,调整输入电压类型为单极脉冲电压,将放电电压调节至50kV,放电频率为50Hz,激发等离子体并维持连续稳定放电40min后,关闭脉冲电源,切断通电线路。
(4)将反应器中经等离子体处理过的废水倒入烧杯中,自然冷却、静置后,经过滤、离心处理5次后,将洗涤后的产物冷冻干燥12h,干燥后得到氟掺杂的碳材料粉末。
本发明为一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中的氟元素的方法,将含全氟或多氟烷基类化合物的废水进行等离子体处理,制备得到氟掺杂COF-5材料的固体粉末,实现对全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的回收。这种方法区别于降解法,处理后可以回收氟元素,减少氟污染排放。在现有技术中,通常是在气相条件下回收氟,有一定局限性,本方法在溶液中进行一系列的回收氟过程,回收率高,成本低,效率高。同时,该方法使用清洁能源电能,无有毒添加剂,绿色环保,回收后的氟掺杂碳导电性良好,可作为碳基催化剂用于电催化等过程,具有广阔的应用前景。
以上所述,仅是本发明实施例的较佳实施例而已,并非对本发明实施例作任何形式上的限制,依据本发明实施例的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明实施例技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种从水溶液回收全氟或多氟烷基类化合物中氟元素的方法,其特征在于,所述的方法为:将全氟或多氟烷基类污染物的水溶液置于等离子体反应器中,进行等离子体放电处理后,产生氟掺杂的粉末颗粒,进行分离回收。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述的全氟或多氟烷基类污染物为以下化合物中的至少一种:全氟十二酸、全氟十一酸、全氟癸酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟庚酸、全氟己酸、全氟戊酸、七氟丁酸、五氟丙酸、三氟乙酸以及对应的酸铵、磺酸、酰卤和盐类。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述的等离子体放电处理前,向反应器中添加载体。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,
所述的载体为碳材料、金属有机骨架框架材料、共价有机框架材料。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,
所述的碳材料为活性炭、石墨、碳纳米管、石墨烯、炭黑中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述的等离子体放电处理在曝气气氛中进行。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,
所述的曝气气氛为:空气、氧气、氮气、氩气中的一种。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述的等离子体放电处理为单极脉冲电压,电压强度为1kV-50kV,脉冲频率为50Hz-20kHz。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述的分离回收为:过滤、离心、冷冻干燥。
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Jiang et al. | Constructing graphite-like carbon nitride modified hierarchical yolk–shell TiO 2 spheres for water pollution treatment and hydrogen production | |
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Bhadra et al. | Adsorptive removal of aromatic hydrocarbons from water over metal azolate framework-6-derived carbons | |
Huang et al. | Electrospun graphene oxide/MIL-101 (Fe)/poly (acrylonitrile-co-maleic acid) nanofiber: A high-efficient and reusable integrated photocatalytic adsorbents for removal of dye pollutant from water samples | |
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Wang et al. | Ultrasound-assisted successive ionic layer adsorption and reaction synthesis of Cu2O cubes sensitized TiO2 nanotube arrays for the enhanced photoelectrochemical performance | |
Wei et al. | Highly characteristic adsorption based on single crystal {001}-TiO2 surface molecular recognition promotes enhanced oxidation | |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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