一种评价金属催化还原剂还原性能的五波长紫外光谱方法与流程

本发明属于检测方法的技术领域，涉及一种评价金属催化还原剂还原能力的方法，具体涉及一种采用紫外光谱分析方法评价金属催化还原剂催化还原模拟废水中二氯苯的处理效果的检测方法。

背景技术：

氯苯类化合物通常用作溶剂、杀虫剂、杀菌剂以及合成许多有机化合物的中间体，邻二氯苯用途广泛，是生产染料、医药、农药、工程塑料等的重要有机化工原料，它们通过各种途径进入环境，污染了水体、土壤、沉积层、蓄水层等，在人类重要的食物链中，特别是在水生生物中可发生生物累积。有的还挥发到空气中和颗粒物质结合，形成二次污染，对脆弱的水和生态环境造成恶劣的影响。氯苯类物质具有明显的致癌性，是国家优先控制物。在国家污水综合排放标准GB8978-1996邻、对二氯苯三级排放标准为1.0mg/L(一级、二级标准分别为0.4、0.6mg/L)。

但是二氯苯化合物性质非常稳定，要破坏苯环结构需要极大的活化能，且难以被生物降解，一般通过高级氧化如：UV/O₃,H₂O₂来氧化二氯苯，但是氧化过程中会产生毒性更大的氯酚。八十年代以来，一种更简单、有效、廉价的处理方法—金属铁及其化合物脱氯降解有机氯化物正成为研究热点，为有机氯化物的处理提供了一条新的途径。使用的原料有金属铁(Fe)，双金属(Pd/Fe、Ni/Fe、Cu/Fe、Ag/Fe等)。二氯苯和这些双金属催化还原剂的还原降解具有室温，常压操作，反应迅速等优点。目前这些双金属催化还原剂更是向纳米化，负载化及多元化(三金属)等方向发展，正逐渐成为二氯苯及其他含卤素芳香化合物去氯化，无害化的有效手段。在这些研究中，评价金属催化还原剂性能好坏的重要判断依据就是处理前后二氯苯含量的变化，及中间产物的生成。周红艺[2003年浙江大学博士论文，钯/铁双金属体系对氯代芳烃的催化脱氯研究]，研究了钯/铁双金属体系对氯代芳烃的催化脱氯效果，通过气相色谱-质谱方法发现在二氯苯催化还原过程逐级脱氯，产生氯苯中间体，最终产物是苯。

目前监测废水中氯苯类化合物广泛使用的分析检测技术包括高效液相色谱(HPLC)，气相色谱(GC)，气相色谱-质谱(GC-MS)，其中HPLC的仪器昂贵，一次性投入大，在分析过程中还需使用价格不菲的色谱纯流动相甲醇和各种标准物质；而GC需要繁杂的水样预处理技术，如固相微萃取，液液萃取，微波预处理等；预浓缩过程中大量使用毒性大的二氯甲烷，乙酸乙酯等来萃取水样；转移，定容过程中不可避免地带来三种物质的挥发损失(二氯苯，氯苯和苯易挥发)；人为影响因素多而带来较大实验误差和较大工作量，且不能实现连续方便及时检测。还有一些文献介绍静态顶空-气相色谱技术，虽然能实现自动进样，批量处理，但是需要较长的平衡时间，检测过程中连续使用氮气做载气，对分析人员素质要求很高，且仪器购置一次性投入大。这些检测技术也被用于金属催化还原剂降解二氯苯的研究中。这些方法的缺点增加了研究过程的不可预见性，因此，急需要一种快捷，高效的检测技术来同时检测金属催化还原剂降解二氯苯的工艺过程，以更好的筛选催化还原剂，调整反应条件，如：二氯苯浓度，催化还原剂添加量，催化还原剂种类和处理温度等。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种评价金属催化还原剂还原性能的五波长紫外光谱方法。金属催化还原剂在催化还原水体中二氯苯的同时，生成氯苯和苯，为了快速检测在不同反应条件下二氯苯的去除率及氯苯和苯的生成率，急需一种有效简便的检测方法。本发明采用五波长紫外光谱法同时测定二氯苯还原反应过程中的三种物质浓度，测定前无需对水样进行萃取，微过滤等处理，仅需静置一段时间，取上清夜进行紫外光检测，能更好的反映模拟废水中还原反应的进程，为还原反应机理的推测提供有效的检测手段，也能快速评价金属催化还原剂的还原活性，为催化还原剂性能的优化及工艺的改进提供帮助。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种评价金属催化还原剂还原性能的五波长紫外光谱方法，包括以下步骤：

(1)配制标准浓度的1,2-二氯苯，氯苯和苯三种母液，分别取三种母液稀释成不同浓度的单一溶液，在全波长范围内扫描检测紫外光谱，记录全部吸光度值并绘制出吸光度-波长标准曲线；

(2)根据步骤(1)中的标准曲线确定1,2-二氯苯，氯苯和苯的特征吸收波长；以单一物质的浓度为横坐标，以该物质在特征吸收波长处的吸光度值为纵坐标分别绘制出1,2-二氯苯，氯苯和苯三种物质的标准曲线，得到回归方程，确定三种物质的摩尔消光系数；所述特征吸收波长为260nm，269nm，277nm；

(3)根据朗格-比尔定律和步骤(2)中的摩尔消光系数，并考虑基线漂移对吸光度值的干扰，利用双波长法，在金属催化还原剂对吸光度值无影响时，建立混合溶液中三种物质的吸光度与浓度的数学公式；所述基线为290nm处基线；所述数学公式为：

$C_{DCB}=\frac{A_{277}-A_{290}}{k_{277}^{DCB}},C_{CB}=\frac{A_{269}-A_{290}-k_{269}^{DCB}\×C_{DCB}}{k_{269}^{CB}},$

$C_B=\frac{A_{260}-A_{290}-k_{260}^{DCB}\×C_{DCB}-k_{260}^{CB}\×C_{CB}}{k_{260}^B};$

其中C_DCB，C_CB，C_B分别为1,2-二氯苯，氯苯和苯的浓度，A_i为波长i处的吸光度值，其中i为260nm，269nm，277nm，290nm；分别为1,2-二氯苯，氯苯和苯在波长i处的摩尔吸光系数；

将摩尔吸光系数代入：

(4)考虑纳米颗粒的金属催化还原剂对吸光度值的影响，建立混合溶液中三种物质的吸光度与浓度的数学公式；所述数学公式为：

$C_{DCB}=\frac{A_{277}-A_{277}^{cat}}{k_{277}^{DCB}},A_{277}^{cat}=A_{290}+k_{277}^{cat}\×(A_{290}-A_{300});$

$C_{CB}=\frac{A_{269}-A_{269}^{cat}-k_{269}^{DCB}\×C_{DCB}}{k_{269}^{CB}},A_{269}^{cat}=A_{290}+k_{269}^{cat}\×(A_{290}-A_{300});$

$C_B=\frac{A_{260}-A_{260}^{cat}-k_{260}^{DCB}\×C_{DCB}-k_{260}^{CB}\×C_{CB}}{k_{260}^B},A_{260}^{cat}=A_{290}+k_{260}^{cat}\×(A_{290}-A_{300});$

$k_{277}^{cat}=1.673,k_{269}^{cat}=2.671,k_{260}^{cat}=3.700;$

将摩尔消光系数和经验系数(即)代入：

其中C_DCB，C_CB，C_B分别为1,2-二氯苯，氯苯和苯的浓度，A_i为波长i处的吸光值，其中i为260nm，269nm，277nm，290nm，300nm；

(5)将金属催化还原剂加入到含有1,2-二氯苯模拟废水中接触反应，静置，取上清液，全波长范围内扫描进行紫外检测，记录在五个特征吸收峰260，269，277，290和300nm处的吸光值，根据步骤(3)和(4)中建立的的数学公式，计算得到模拟废水中二氯苯、氯苯、苯三组分的浓度，评价不同催化还原剂还原能力以及催化还原剂在不同反应条件下的催化效果。

步骤(1)中所述配制标准浓度1,2-二氯苯，氯苯和苯三种母液的溶剂为乙醇和水，两者体积比为2：8；所述1,2-二氯苯，氯苯和苯三种母液的浓度分别为0.5，0.5和2.5mmol/L。

步骤(1)中所述单一溶液的浓度为1,2-二氯苯溶液(0.005-0.05)mmol/L，氯苯溶液(0.005-0.05)mmol/L和苯溶液(0.025-0.25)mmol/L。

步骤(3)中所述数学公式建立后，将理论吸光度值与实际测定值进行拟合，具体为：将1,2-二氯苯，氯苯和苯三种母液稀释成不同浓度的混合溶液，在全波长范围内扫描检测紫外光谱，记录全部吸光度值；利用步骤(3)中数学公式计算混合溶液中各物质的吸光度值，将特征波长处的吸光值与基线处的吸光值的差值，与实际测定值进行拟合。

所述不同浓度的混合溶液是采用正交试验L16(4⁵)的表头设计的。

步骤(4)和(5)中所述金属催化还原剂指用于废水催化还原二氯苯的全部金属，包括铁基，锌基或镁基材料，对材料的尺寸不做限制。

若使用的金属催化还原剂是块状或者粉状，使用步骤(3)中数学公式；若使用催化还原剂为纳米金属，则使用步骤(4)中数学公式。

步骤(5)中所述反应的温度为还原反应适用的全部温度，一般为15-60℃，所述静置的时间为10-30min，金属催化还原剂在模拟废水中的添加量为模拟废水质量的0.1-10％。

所述方法用于二氯苯降解领域。

该方法适宜于金属催化还原剂的还原能力的快速评价，方法简单，可操作性强。

相对于现有技术，本发明的优点是：

现有的二氯苯、氯苯和苯的检测方法，如：HPLC，GC，顶空-气相色谱等，所用仪器一次性投入多，对水样预处理技术要求高，如：大量有机溶剂萃取和有机滤膜过滤，实验条件苛刻且操作过程繁琐，不利于实时监测催化还原剂的还原效果，技术手段有局限性且得不到理想的数据。本发明的五波长紫外光谱检测方法经过多次重复性试验和加标回收率试验，以及对模拟废水还原过程的监测，表明该方法能够快速、高效、同时检测废水中目标物质的浓度，实现对金属催化还原剂的还原能力的快速评价。

附图说明

图1为二氯苯溶液、氯苯溶液和苯溶液的紫外光谱图；图1中右上图为二氯苯、氯苯和苯三种物质紫外光谱图中弱吸收带的放大图；

图2为16种混合溶液实际测定的吸光度差值(吸光度值减掉溶剂或者基线漂移产生的误差，即A₃₀₀)与理论值的拟合曲线；

图3为含不同纳米零价Fe/Ni催化还原剂(不同的负载比例和负载方式)的水样的紫外光谱图；

图4为实施例1中含二氯苯模拟废水经自制纳米零价铁/镍催化还原剂还原降解过程中二氯苯、氯苯和苯的浓度随时间的变化曲线；

图5为实施例2中含二氯苯模拟废水经市售纳米零价铁催化还原剂还原降解过程中二氯苯、氯苯和苯的浓度随时间的变化曲线；

图6为实施例3中含二氯苯废水经自制纳米零价铁/镍催化还原剂在低温还原降解过程中二氯苯、氯苯和苯的浓度随时间的变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

方法的建立

1.1二氯苯、氯苯和苯的标准曲线的绘制

1,2-二氯苯，二氯苯和苯三组分在紫外区域200--300nm，具有光吸收特点。吸收光能的分子会使外层电子能级发生跃迁，从而出现不同的吸收特征。因此，采用紫外分光光度法，对水溶液进行紫外光谱检测，根据典型特征峰的强度与对应浓度的关系来计算摩尔吸光系数。采用安捷伦的紫外光谱分析仪器((Agilent 8453 UV-Visible System,USA)。

(1)用微量注射器取不同体积的1,2-二氯苯，氯苯和苯母液(纯度分别为98.5％，99％，99.5％，分析纯)到预先装有5ml酒精和少量水的500ml容量瓶中，用水配成浓度为0.5，0.5和2.5mmol/L的标准母液(因为苯的溶解度大于二氯苯和氯苯)，即1,2-二氯苯母液的浓度为0.5mmol/L，氯苯母液的浓度为0.5mmol/L和苯母液的浓度为2.5mmol/L；

(2)分别取1，2，3，4，5ml三种母液稀释到100ml容量瓶，用1cm比色皿进行全光谱的扫描，检测吸光值，以吸光值(A)对波长作图，得到二氯苯、氯苯和苯的标准曲线，如图1所示；采用正交试验L16(4⁵)的表头设计，分别取不同体积的母液用去离子水稀释到100ml容量瓶，得到16种不同浓度的混合溶液，用1cm比色皿进行全光谱的扫描，其吸光值与浓度如表1-1，1-2，1-3所示。

从图1中，发现这三种物质(二氯苯(DCB)、氯苯(CB)、苯)在230nm以下存在强吸收带B1,在250nm以上存在弱吸收带B2,考虑到低浓度时三种物质在强吸收带的A超过1.5，尤其是当检测含有纳米催化还原剂的模拟水样时，A值经常大于2.0，对数据处理带来较大的误差。因此，经过分析，我们选取弱吸收带来建立吸光值和浓度的数学关系式。

表1-1 16种混合溶液在特征波长处的吸光值与浓度

表1-2 16种混合溶液在特征波长处的吸光值与浓度

表1-3 16种混合溶液在特征波长处的吸光值与浓度

1.2吸光值与二氯苯(DCB)、氯苯(CB)、苯(B)浓度的数学关系式的建立

根据图1的数据，利用数学软件最小二乘法，得到DCB，CB和B在260，269，277的摩尔吸光系数，见表2所示；

表2三种物质在260，269和277nm处的吸光系数

从波谱图发现277nm处只有二氯苯有吸收，苯和氯苯都没有，在269nm苯没有吸收。考虑到290nm处基线的漂移对吸光值的影响，因此，必须加以扣除。因此，得到数学公式如下：

$A_{277}-A_{290}=k_{277}^{DCB}\×C_1+k_{277}^{CB}\×C_2+k_{277}^B\×C_3---\left(1\right)$

$A_{269}-A_{290}=k_{269}^{DCB}\×C_1+k_{269}^{CB}\×C_2+k_{269}^B\×C_3---\left(2\right)$

$A_{260}-A_{290}=k_{260}^{DCB}\×C_1+k_{260}^{CB}\×C_2+k_{260}^B\×C_3---\left(3\right)$

由于已知上述16种混合溶液的浓度C1，C2，C3(C1，C2，C3分别为二氯苯(DCB)、氯苯(CB)、苯(B)摩尔浓度),将表2的系数带入公式(1)，(2)，(3)的右边，计算出16种混合溶液在260，269，27nm处的吸光值A_cal与A₂₉₀的差值,和实测值(A-A₂₉₀)进行拟合，拟合曲线如图2所示。可以发现计算值和实测值拟合非常好，说明表2的吸光系数是准确有效的。

但是由于上述公式对没有纳米催化还原剂的含二氯苯的废水，具有极好的重现性和准确性，但是当我们在二氯苯废水中将加入催化还原剂后，由于纳米颗粒的影响，对三大物质在260，269，277nm的吸收造成较大的烦扰，必须想办法加以扣除(见图3)。图3为含不同纳米零价Fe/Ni催化还原剂(不同的负载比例和负载方式，即催化还原剂C1-C10)的水样的紫外光谱图。

从图3发现，在260，269和277nm处吸光值逐渐增大，说明纳米催化还原剂在这些特征峰处也有吸收，对我们检测二氯苯，氯苯和苯的浓度造成干扰。通过观察，发现A260-A290,A269-A290,A277-A290与A290-A300构成一个相似三角形的四条直角边，他们的比值是一个常数即经验系数。

$A_i^{cat}=A_{290}+k_i^{cat}\×(A_{290}-A_{300})---\left(4\right)$

$k_{277}^{cat}=1.673,k_{269}^{cat}=2.671,k_{260}^{cat}=3.700;$

将这些系数带入公式(4)，计算得到催化还原剂C1-C10(分别是Fe/Ni不同负载质量比例的催化还原剂，分别为10：0，9：1①，8：2①，7：3①，6：4①，5：5①和Fe,Ni的先后负载，分别为9：1②，8：2②，7：3②，6：4②，其中①指的是铁和镍同时负载；②指的是先负载铁，后负载镍，形成包覆效果)在260，269，277nm处的A,与实测的A进行对比，计算值与检测值的数据见表3。结果表明，这些经验系数能够较好的反映各种催化还原剂在三大特征吸收峰处的吸光值。

表3催化还原剂在特定波长处的吸光值与计算值的比较

·RSD–相对标准偏差(％).

因此，结合公式(1)(2)(3)和(4)，从含催化还原剂的模拟废水的紫外光谱数据，可以计算模拟废水中三种物质的浓度。

总之，吸光度与浓度的数学公式为：

当催化还原剂没有干扰时，采取如下公式：

$C_{DCB}=\frac{A_{277}-A_{290}}{k_{277}^{DCB}},C_{CB}=\frac{A_{269}-A_{290}-k_{269}^{DCB}\×C_{DCB}}{k_{269}^{CB}},$

$C_B=\frac{A_{260}-A_{290}-k_{260}^{DCB}\×C_{DCB}-k_{260}^{CB}\×C_{CB}}{k_{260}^B};$

其中C_DCB，C_CB，C_B分别为1,2-二氯苯，氯苯和苯的浓度，A_i为波长i处的吸光度值，其中i为260nm，269nm，277nm，290nm；分别为1,2-二氯苯，氯苯和苯在波长i处的摩尔吸光系数；

将摩尔吸光系数代入上述公式：

$C_{DCB}=\frac{A_{277}-A_{290}}{0.1379}---\left(5\right),$

$C_{CB}=\frac{A_{269}-A_{290}-0.1753\×C_{DCB}}{0.0630}---\left(6\right),$

$C_B=\frac{A_{260}-A_{290}-0.1041\×C_{DCB}-0.0989\×C_{CB}}{0.0561}---\left(7\right);$

当催化还原剂为纳米颗粒，干扰检测时，采用如下公式：

$C_{DCB}=\frac{A_{277}-A_{277}^{cat}}{k_{277}^{DCB}},A_{277}^{cat}=A_{290}+k_{277}^{cat}\×(A_{290}-A_{300});$

$C_{CB}=\frac{A_{269}-A_{269}^{cat}-k_{269}^{DCB}\×C_{DCB}}{k_{269}^{CB}},A_{269}^{cat}=A_{290}+k_{269}^{cat}\×(A_{290}-A_{300});$

$C_B=\frac{A_{260}-A_{260}^{cat}-k_{260}^{DCB}\×C_{DCB}-k_{260}^{CB}\×C_{CB}}{k_{260}^B},A_{260}^{cat}=A_{290}+k_{260}^{cat}\×(A_{290}-A_{300});$

$k_{277}^{cat}=1.673,k_{269}^{cat}=2.671,k_{260}^{cat}=3.700;$

将摩尔消光系数和经验系数(即)代入：

$C_{DCB}=\frac{A_{277}-2.673\×A_{290}+1.673\×A_{300}}{0.1379}---\left(8\right),$

$C_{CB}=\frac{A_{269}-3.671\×A_{290}+2.671\×A_{300}-0.1753\×C_{DCB}}{0.0630}---\left(9\right),$

$C_B=\frac{A_{260}-4.700\×A_{290}+3.700\×A_{300}-0.1041\×C_{DCB}-0.0989\×C_{CB}}{0.0561}---\left(10\right);$

其中C_DCB，C_CB，C_B分别为1,2-二氯苯，氯苯和苯的浓度，A_i为波长i处的吸光值，其中i为260nm，269nm，277nm，290nm，300nm。

1.3方法的重复性验证

从母液配制任意浓度的混合溶液，进行4次紫外光谱检测，根据吸光值和上述公式(5)(6)(7)来计算三大物质的浓度，数据见表4。

表4重复性检测

相对误差小于2.0％，说明方法重现性好。

1.4方法的加标回收率

在已知浓度的含三大物质模拟废水中添加已知浓度的二氯苯，氯苯和苯，然后对模拟废水进行紫外光谱检测，根据吸光值和上述公式(5)(6)(7)计算三大物质的浓度，并和已知的添加浓度进行对比，计算样品的加标回收率，数据见表5。

表5加标率试验

从表5可知，加标回收率在88-105之间，说明该发明方法能准确测定三种混和物质的含量。

2、金属催化还原剂还原能力评价实施例

以纳米金属催化还原剂处理含二氯苯的废水。本方法不受负载载体，负载方式和负载量的影响。

实施例1评价自制金属催化还原剂还原效果

在20ml血清瓶中装入31ml 0.08mmol/L二氯苯溶液(没有顶空，隔绝氧气)，加入0.05g自制微纤化纤维素负载金属催化还原剂(纳米Fe/Ni的摩尔比8：2)，置于磁力搅拌器上，反应温度30℃，在不同时间停止反应，静置15min，取上清液进行紫外光检测，然后根据260，269，277，290和300nm的吸光值带入数学公式(8)(9)(10)，计算DCB,CB和B的浓度，实验结果见图4。

从图4看出随着反应的进行，二氯苯浓度逐渐降低，在3h后几乎为0，而苯一直在逐渐增加，氯苯的浓度一直不高，说明对二氯苯的催化还原最终产物为苯。

实施例2评价市售某金属催化还原剂还原效果

在20ml血清瓶中装入31ml 0.08mmol/L二氯苯溶液(没有顶空，隔绝氧气)，加入0.05g市售纳米铁粉，置于磁力搅拌器上，反应温度30℃，在不同时间停止反应，静置15min，取上清液进行紫外光检测，然后根据260，269，277，290和300nm的吸光值带入数学公式(8)(9)(10)，计算DCB,CB和B的浓度，实验结果见图5。

从图5可以看出，还原后二氯苯的浓度很高，苯浓度不高，说明市售纳米铁粉还原能力不如自制纳米催化还原剂。

实施例3评价自制金属催化还原剂还原效果

在20ml血清瓶中装入31ml 0.08mmol/L二氯苯溶液(没有顶空，隔绝氧气)，加入0.05g自制微纤化纤维素负载金属催化还原剂(纳米Fe/Ni的摩尔比8：2)，置于磁力搅拌器上，反应温度20℃，在不同时间停止反应，静置15min，取上清液进行紫外光检测，然后根据260，269，277，290和300nm的吸光值带入数学公式(8)(9)(10)，计算DCB,CB和B的浓度，实验结果见图6。

从图6看出，反应温度低，对还原反应不利，二氯苯的浓度依然很高，苯生成量很少。

因此，根据此方法，可以方便快捷的评价催化还原剂的还原性能，筛选优化的工艺条件，研究反应动力学。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。