基于非化学非生物原理批量降解持久性污染物分子的纳米刀技术

PFOS was included in the black-list of POPs in Stockholm Convention in 2009.Because of its high stability, there are no known methods, either chemical or biological ones,that can decompose PFOS molecules effectively and economically without causing the second pollution. In this study, we propose a novel nano-knife principle and materials that can decompse persistant pollutant molecules without using any chemical or biological reagents. The nano-knife materials can be easily recycled and reused, making it a breakthrough in green and low carbon water treatment technology. Though studying the effect and mechanisms of this new principle, we will design an optimize a device that can be used for industrial and comercialization purpose.

2009年斯德哥摩国际公约将全氟辛烷磺酰基化合物(PFOS) 列入持久性有机污染物（POPs）黑名单。由于PFOS的高度稳定性，到目前为止，国际上尚未能找到高效分解PFOS的化学或生物方法。本研究提出一种基于纳米刀物理切割原理的方法和材料，可不耗费化学或生物试剂实现批量分解持久性污染物的绿色低碳新的技术原理和方法，而且纳米刀材料可以反复循环使用。通过作用效果和机理的深入研究，设计并优化可用于批量污水处理的循环反应器，为实际水处理应用奠定理论基础。

本课题采用具有微纳米棱角的2000目石英砂作为纳米刀原材料，用不同浓度NaOH溶液对纳米刀进行刻蚀，使石英砂材料具有纳米级边角刀刃。以典型的持久性有机污染物全氟辛烷磺酸（PFOS）和大分子污染物羧甲基纤维素（CMC）为模型物，研究常温常压下纳米刀材料批量分解溶液中PFOS和CMC的物理剪切作用，实现对PFOS和CMC的绿色分解。为充分发挥纳米刀材料的剪切作用，我们设计并改良了反应装置，即采用正反转强力搅拌法、固定钢针、超声辅助装置等。结果发现PFOS经石英砂正反转强力搅拌剪切5次后，去除效率仅为10%左右，但并未检测到PFOS的降解产物；超声辅助装置也没能有效地提高PFOS的脱F率。总之，由于PFOS异常的稳定性，刻蚀/非刻蚀纳米刀对PFOS的分解效率很低，没能实现既定的批量分解PFOS的目标。.不同于PFOS的C-F键能（≥450 kJ/mol），CMC主要键能C1-O-C4为313 kJ/mol，C1-O-C5为431 kJ/mol，键能相对较低。高速机械力空白剪切即能使重均分子量为41000 Da的CMC分解成重均分子量为460 Da, 1000 Da, 2200 Da 和 31000 Da的小分子物质，但分解物质浓度较低且多分散性较高。当加入石英砂后，重均分子量为31000 Da的物质被分解成重均分子量为21000 Da和27000 Da的物质，且随着石英砂用量的增加和剪切时间的延长（1 min至5 min），其吸收峰分别由0.0029 和 0.0048 增加至0.0415；同时吸收峰变窄，表明生成的聚合物的多分散性下降，即重均分子量的均一性有所提高。由CMC剪切前后的傅里叶变换红外光谱可知，剪切反应后样品保留了波数为1062 cm-1的CMC的主链糖苷键C1-O-C4伸缩振动峰，各官能团的峰位并未发生变化，且观察不到新的吸收峰，但样品的各官能团对应的峰值透射率值发生了不同程度的变化。说明CMC在石英砂的剪切作用下，未产生新的官能团，可能是大分子量的CMC分解为小分子量的CMC，CMC的聚合度发生了变化，导致CMC溶液的粘度下降。