一种低频超声驱动压电催化高效还原水中U(Ⅵ)的方法

本发明涉及环境水处理领域，具体涉及一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法。

背景技术：

1、铀矿石作为核工业发展的原料，随着核能技术的发展，其需求量日益上升。在铀矿石的开采、加工和运输过程中会产生低浓度放射性核素，这些具有放射性的核素会在自然因素的作用下进入水环境中，对生态环境造成极大危害。溶解在水中的铀主要以铀酰离子(uo22+)的形式存在，极易随地下水流动发生迁移，主要通过食物链进入人体，并在人体内富集，在其衰变过程中产生的射线会破坏人体组织，同时诱发基因突变，使肿瘤、癌症等疾病发病率升高。

2、u(vi)配合物溶解性高，具有较大的放射毒性和化学毒性。将溶液中易迁移的u(vi)还原为难溶性u(iv)是治理铀污染较为理想的策略。电化学还原法选择性高、无二次污染，能够高效还原水中u(vi)，但需外加电源，能耗高，运行管理复杂。压电催化无需外加电源，操作管理简单，能够将外部机械能高效转换为电能，具有利用环境中剩余机械能低耗处理水中污染物的潜力。作为一种新兴水处理技术，其原理为当压电材料受到外部机械应力(如超声波振动)时，会生成极化电荷(压电电子-空穴对)，产生内置压电场，在内置压电场的作用下压电电子-空穴对分离并迁移到压电催化剂表面，参与氧化还原反应，产生活性物种。目前，压电催化技术的研究主要集中在对有机污染物的氧化降解，对于重金属还原的研究较少，尤其是对放射性u(ⅵ)还原的研究极为匮乏。

3、创新性提出以压电催化产生的内置压电场替代外部直流电场还原水中u(vi)，通过控制压电催化反应条件优化还原效果。本发明可为高效低耗处理水中u(vi)提供有效方法和思路。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服传统电化学还原法还原水中u(vi)需外加电源，能耗高，运行管理复杂，提供一种采用压电催化产生内置压电场代替外部直流电场，产生压电电子，有效还原水中u(ⅵ)的方法。

2、为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，包括压电催化剂、外部机械力、空穴抑制剂、反应容器，将所述压电催化剂和空穴抑制剂置于待处理u(ⅵ)溶液中，通过外部机械力激活压电催化剂产生内置压电场，使压电催化剂形成的电子和空穴在内置压电场的作用下向材料表面定向移动，在空穴抑制剂的作用下空穴浓度得到抑制，而较高浓度的电子与u(ⅵ)发生还原反应生成u(iv)。

4、本发明通过以下技术方案实现上述目的：

5、一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，包括以下步骤：

6、将压电催化剂置于含有u(ⅵ)的溶液中，在磁力搅拌器中搅拌，在暗态条件下达到吸附平衡。

7、达到吸附平衡后，将含有压电催化剂的u(ⅵ)溶液置于超声容器中，加入甲醇，以超声为压电驱动力，通过压电催化对u(ⅵ)进行还原。

8、上述方案中，所述压电催化剂为钛酸钡或二硫化钼。

9、上述方案中，u(ⅵ)的浓度为2-15mg/l。

10、上述方案中，压电催化剂用量为0.5-2.5g/l。

11、上述方案中，u(ⅵ)溶液的ph为2.9-11。

12、上述方案中，超声频率为40khz，超声功率为40-300w。

13、上述方案中，吸附平衡时间为20min，超声反应时间为20min。

14、所述压电催化剂能将超声机械能与电能互相转换。

15、所述压电催化剂在使用前经过预处理，包括清洗、干燥及活化步骤。

16、所述压电催化剂在超声驱动下的还原反应中，通过添加甲醇为空穴抑制剂来调节压电电子-空穴对的分离效率。

17、所述压电催化剂在完成一次还原反应后，通过物理或化学方法进行再生，使其恢复活性，供后续多次循环使用。

18、与传统电化学还原技术相比，本发明所具有的有益效果是：1、本发明利用压电催化剂在外部机械力(超声波)作用下发生自发极化，生成极化电荷(压电电子-空穴对)，在内置压电场的作用下压电电子-空穴对分离并迁移到压电催化剂表面，参与还原反应，其能量转换机制能够避免传统电化学还原法对外部电源的依赖，降低能耗和运行成本。

19、2、本发明使用的方法操作简便，与传统电化学还原需要复杂电路和电源管理相比，压电催化更加简便，只需通过控制超声频率和功率即可启动催化过程，极大地简化设备要求和操作流程。

20、3、本发明通过优化压电催化反应条件，包括压电催化剂种类、压电催化剂投加量、溶液ph值、超声功率，能够显著提高水中u(ⅵ)的还原效率，助力水体中u(ⅵ)的有效去除，减少环境污染。

21、4、本发明使用稳定性好的催化剂，且反应条件相对温和，相较于传统电化学还原法氧化还原电位高导致的副产物多的问题，本发明使用的压电催化还原u(ⅵ)过程产生的有害副产物少，且内置压电场的产生无需额外添加化学物质，进一步提升处理过程的清洁性和安全性。

22、5、本发明的方法适用性广，压电催化剂的选择性高，不仅能够有效还原u(ⅵ)，也适用于具有相似性的其他重金属离子，具有良好的适应性和应用前景。

1.一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，其特征在于，包括以下步骤，室温下，取含u(ⅵ)的废水置于反应器中，加入压电催化剂，在暗态条件下达到吸附-脱附平衡后，在超声驱动下还原u(ⅵ)。

2.根据权利要求1所述的一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，其特征在于，所述压电催化剂为钛酸钡或二硫化钼。

3.根据权利要求2所述的一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，其特征在于，所述压电催化剂投加量为0.5-2.5g/l。

4.根据权利要求1所述的一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，其特征在于，处理体系中u(ⅵ)的浓度范围为2.0-15mg/l。

5.根据权利要求1所述的一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，其特征在于，处理体系中，采用的外部机械力为低频超声，频率为40khz，功率为40-300w。

6.根据权利要求1所述的一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，其特征在于，处理体系中溶液反应初始ph值为2.8-11。

7.根据权利要求1所述的一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，其特征在于，所述压电催化剂在使用前经过预处理，包括清洗、干燥及活化步骤。

8.根据权利要求1所述的一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，其特征在于，所述压电催化剂在超声驱动下的还原反应中，通过添加甲醇为空穴抑制剂来调节压电电子-空穴对的分离效率。

9.根据权利要求1所述的一种低频超声驱动压电催化高效还原水中u(ⅵ)的方法，其特征在于，所述压电催化剂在完成一次还原反应后，通过物理或化学方法进行再生。