基于SEM-EDS及GC-MS技术研究有机氯分子结构对零价铜脱氯机制的影响

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2015年 3月 March2015
岩 矿 测 试 ROCKANDMINERALANALYSIS
Vol.34,No.2 169~175
文章编号:0254 5357(2015)02 0169 07
DOI:10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.02.003
基于 SEM-EDS及 GC-MS技术研究有机氯分子结构对 零价铜脱氯机制的影响
朱 洪,刘 静,焦晗涛,张 晶,段江涛,连兴业,侯亚楠
(北京农学院生物科学与工程学院,北京 102206)
摘要:零价铜作为一种廉价金属很少应用于促进氯代有机物脱氯研究,其原因是零价铜的催化还原脱氯活
性差,且反应机制复杂。

本文采用机械球磨技术制备了 Cu-Fe和 Cu-Ni合金,研究零价铜在不同微观环
境下对对氯苯酚(4-CP)的脱氯行为,旨在考察有机氯分子结构对零价铜脱氯机制的影响。

应用扫描电镜
-能谱(SEM-EDS)及色相色谱 -质谱(GC-MS)分析发现,铜原子的微环境及有机氯分子结构均影响铜
的脱氯机制。

在 Cu-Fe体系中,Cu遵循经典的催化加氢脱氯机制,4-CP的降解产物为苯酚;Cu-Ni体系
的还原作用来源于零价铜,其中的镍金属并未起到催化加氢作用,Cu-Ni合金及单独零价铜对 4-CP的降
解产物是环己酮。

零价铜对 4-CP的降解率可达 70%以上,而 Cu-Fe体系的降解率仅为 34%,两者对芳
香族氯代物的降解效率差距显著。

零价铜能够降解化学稳定性高的 4-CP和苯酚,但不能降解化学稳定性
相对较差的脂肪族氯代有机物(如一氯乙酸和二氯乙酸),因此认为零价铜脱氯机制并非传统的催化加氢机
制,而是遵循直接电子传递还原机制,且有机氯分子的苯环结构是零价铜直接电子传递还原的诱因。


关键词:氯代有机污染物;零价铜;铜系合金;脱氯机制;机械球磨;扫描电镜 -能谱 (SEM -EDS);
气相色谱 -质谱法(GC-MS)
中图分类号:O657.63
文献标识码:A
金属催化 化 学 还 原 法 处 理 氯 代 有 机 物 (CxHy Clz)是利用还原剂,针对性地将污染物分子中的氯 取代基去除,达到降低氯代有机物的生物毒性、改善 其可生化性的方法[1-5]。

常用的还原剂主要是一些 金属单质,如 铁[6-7]、镁[8-9]、铝[10]等,零 价 金 属 是 一种有效的脱卤还原剂,在氯代有机污染物脱氯降 解研究中具有广泛的应用前景。

零价铜作为一种环 境可容的金属材料,常常被用于催化脱氯领域的研 究 [11-14],然而其脱 氯 机 制 复 杂,催 化 加 氢 性 能 远 小 于 Ni、Pd等,关于零价铜的脱氯机制较少有报道。


金属对氯代有机物(CxHyClz)的脱氯过程,相关 报道归纳起来可分成 2种反应机理[15-16]。

机理①: 依靠单质金属的还原能力,在水中被氧化,同时给出 电子;而氯代有机物则直接接受电子进行还原脱氯, 最终生成可生物降解的有机物 (CxHy+z)。

主要反 应过程[17]如下:
CxHyClz+zH+ +zM0→CxHy+z+zM+ +zCl- (1)
机理②:在水环境中,零价金属与 H2O或 H+发生反
应,生成具有还原性的 H2,H2与氯代有机物发生反
应,使其还原脱氯。

主要反应过程[18]如下:
M0+nH2O→Mn+ +n/2H2+nOH-
(2)
zH2+CxHyClz→CxHy+zCl- +zH+
(3)
以零价金属铁还原脱氯为例,反应符合机理②
的可能性 较 大[19-22]。

其 中,选 择 合 适 的 加 氢 催 化
剂,使体系中释放出的氢气活化为活性氢是关键,常
用的催化剂有 Pd、Pt等贵金属。


铜是一 种 惰 性 金 属,其 标 准 氧 化 还 原 电 位 为
+0.36V,可通过电偶腐蚀加速还原,同时铜也是一
种较为温和的加氢催化剂,因此铜通常被认为是机
理②的反 应 [11,23-24]。

相 关 报 道 普 遍 认 为 零 价 铜 所 遵循的也是氢解还原的机制,只是在 Yin等[13]的研
究中发现了零价铜降解有机氯产生了复杂的降解产
物,认为零价铜可能存在直接电子传递机理。


本文首先采用机械球磨技术制备 Cu-Fe和 Cu
收稿日期:2014-02-18;修回日期:2015-03-19;接受日期:2015-03-22 基金项目:北京农学院促进人才培养综合改革专项计划(BNRC&YX201412);国家自然基金青年基金项目(21207077) 作者简介:朱洪,博士,讲师,主要从事生物分子检测与有机污染物降解研究。

Email:zhuhong80@bua.edu.cn。


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-Ni合金,对比氯代有机物对氯苯酚(4-CP)在两 种铜系金属体系中的脱氯产物及其脱氯行为,比较 芳香族及脂肪族有机氯在铜表面的脱氯差异,研究 有机氯分子结构对零价铜脱氯机制的影响,进而试 验零价铜对具有苯环结构的苯酚的还原情况,揭示 零价铜直接电子传递还原的机理。


1 实验部分
1.1 Cu-Fe和 Cu-Ni球磨合金材料制备 Cu-Fe和 Cu-Ni球磨合金的制备采用机械球
磨技术,因为机械球磨过程中容易造成众多点线缺 陷 [25-27],还可以引 入 应 变 力,能 够 显 著 提 高 催 化 金 属的储氢加氢性能,促进 Fe的电催化活性,有利于 脱氯的发生 [28-30]。

实 验 采 用 行 星 式 球 磨 机 制 备 球 磨铁镍材料。

分别称取一定比例的铜粉 -铁粉和铜 粉 -镍粉置于 100mL不锈钢球磨罐中,罐中的不锈 钢磨球总质量为 186g(即球料比为 37.5∶1),固定 500r/min或 800r/min的自转转速球磨相应的时间 即得所需的球磨合金材料。


球磨铁镍材料在使用前进行酸洗:称取一定量 的球磨材料置于具塞三角瓶中,按 100g材料 /100 mL酸洗液的投加量加入 pH=1的酸液中,放入转 速为 220r/min的 振 荡 摇 床 中,在 25℃ 下 酸 洗 15 min,取出倒去液体,再用高纯水冲洗 3~4次,备用。

1.2 降解实验方法
将一定质量酸洗后的 Cu-Fe、Cu-Ni或 Cu球 磨材料置于 50mL具塞三角瓶中,加入 30mL有机 氯或其他反应物溶液,放入振荡摇床中在一定温度 下充分振荡反应。

每隔一定时间取样,取样体积为 1mL,用高效液相色谱(HPLC)、高效液相色谱(GC -MS)或气相色谱 -电子捕获检测器(GC-ECD) 分析 4-CP及其脱氯产物苯酚、环己酮和脂肪族氯 代有机物(一氯乙酸和二氯乙酸);同时测定反应过 程中的 pH值。

实验中三角瓶均用磨口塞密封,反 应前的反应液未经 N2吹脱除氧,且反应过程中反应 液面并未充 N2。

1.3 分析仪器和主要试剂
扫描电镜 SEM(LEO-1530,德国 LEO公司): 表征球磨前后双金属的表面形貌变化,用 X射线光 谱(EDS)的点扫及微区面扫功能表征双金属中两种 元素的含量及分布均匀情况。


4-CP及其降解产物苯酚的浓度采用 HPLC检 测:色谱柱为 ODS-SP柱(5μm,150mm×4.6mm id;GLSciencesInc.,日本),流动相为 70% 甲醇 -
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30%水,流速 1mL/min,柱温 40℃。

UV/VIS检测波 长 254nm。


4-CP的 另 一 种 降 解 产 物 环 己 酮 的 浓 度 采 用 GC-MS分析:岛津 GCMS-QP2010PLUS(配 NCI 源),进样口温度 250℃,不分流进样,进样量 1μL; 升温程序:初温 50℃保持 1min,以 20℃ /min升至 300℃保持 3min,离 子 源 温 度 250℃,传 输 线 温 度 250℃,SIM 模 式。

色 谱 柱:AgilentDB-5MS(15m ×0.25mm×0.1μm)。


脂肪族氯代 有 机 物 (一 氯 乙 酸 和 二 氯 乙 酸 )的 检测采用 GC-ECD分析。

先进行酯化处理:取 1 mL样品置于 20mL具塞玻璃比色管中,依次加入 0.8mL浓硫酸和 1mL甲醇,混合均匀后在 65℃恒 温水浴 40min,加入 5mL10%氯化钠及 3mL正己 烷萃取。

再采用 7890N气相色谱仪(美国 Agilent公 司)对一氯乙酸和二氯乙酸进行分析。

使用载气为 高纯氮(≥99.999%),流 量 1mL/min。

升 温 程 序 为:60℃维持 2min,以 10℃ /min升至 140℃,维持 1 min,以 20℃ /min升至 300℃,维持 2min。

前进样 器进样口温度为 250℃,后检测器温度为 250℃,进 样量 1μL。

一氯乙酸的保留时间为 1.13min,二氯 乙酸的保留时间为 1.53min。


主要试剂包括:铁粉(>99%),铜粉(>99%), 苯酚(99%以上),对氯苯酚(4-CP,99%以上),甲 醇(色谱纯)。


2 结果与讨论
2.1 4-CP在 Cu-Fe及 Cu-Ni球磨合金表面的 降解机制 首先采用机械球磨技术制备了组分体均匀分散
的 Cu-Fe双金属复合材料,以 pH=2的 50μg/L的 4-CP溶液的降解率为参照,获得了较佳的球磨制备 条件:Cu含量 10%,Cu-Fe球磨时间 6h,球磨转速 500r/min,球料比 37.5∶1。

球磨 Cu-Fe合金的扫 描电镜 -能谱(SEM-EDS)如图 1所示,球磨后,在 微米尺寸的球磨合金中铜铁达到纳米尺寸的混合,Cu 与 Fe元素分布分别接近混合质量比 10%及 80%。


球磨混合的 Cu-Fe及 Cu-Ni合金对 4-CP 的降解机制不一致,如图 2所示。

Cu-Fe体系中, 在初始 pH=2,Cu-Fe双金属比例为 1∶9(质量 比)时,达到最优的 4-CP降解率,为 33.97%。

Cu -Fe合金遵循催化氢解脱氯机制,Cu与 Fe之间以 催化金属铜与供氢金属铁协同作用,在一定比例组 合时金属的析氢和加氢催化的协同效果最优化。


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图 1 球磨后 CuFe混合物的 SEM-EDS及元素分布图 Fig.1 SEMEDSimagesforballmilledCuFealloy
与 Cu-Fe体系相反,Cu与 Ni金属在 Cu-Ni 体系并未在合适比例呈现脱氯最优化,Cu-Ni球磨 合金对 4-CP的降解率仅随着 Cu含量的增加而增 加,由此推断 Ni未起催化作用。

改变初始 pH值为 1~5,Cu-Fe合金对 4-CP的降解率在 pH=3达 到最优化,符合催化金属与供氢金属的需要,因为铜 的催化性能与铁的供氢是协同作用机制,过量的析 氢容易占据金属表面导致反应活性位点减少,析氢 少也不利于加速降解,两者都抑制铜铁双金属不能 达到降解所需的氢环境,只能有微弱的降解。

与 Cu -Fe合金相比,pH对 Cu-Ni合金的影响不明显, pH=5的溶液中 4-CP的脱氯率比 pH=3的脱氯 率下降约 7%,分析结果表明 pH对 Cu-Ni体系的 影响明显小于 Cu-Fe体系,Cu-Ni可能不遵循氢 解还原脱氯机制。

另外一种金属脱氯机制———直接 电子传递还原机制不依赖于还原性氢的出现,因此 推断 Cu-Ni体系遵循直接电子传递的脱氯机制。


另外,应用 HPLC对 4-CP降解产物进行分析 (图 3),在 Cu-Fe体系中,4-CP与其降解产物苯 酚的总碳基本守恒,表明苯酚是 4-CP的主要降解 产物,也进一步证实了该降解遵循催化加氢脱氯机 制。

不同于 Cu-Fe体系,在 Cu-Ni体系中随着 4 -CP的降解,所检测到的苯酚含量低,4-CP与苯 酚的总碳含量持续下降,下降速率几乎等于其降解
图 2 不同的铜铁比例(a)、铜镍比例(b)球磨合金对初始 pH值为 2的 4-CP降解情况
Fig.2 4CPdegradationwithdifferentcompositionratioofCu Fe(a),andCuNi(b)alloyattheinitialpH=2
速率,表明 Cu-Ni体系的最终降解产物并非苯酚, 反应产物复杂。


由此可见,Cu-Ni降解机制异于 Cu-Fe降解 机制。

实验结果表明铜基金属降解有机氯有两种可 能路径。

由于镍成分越大,降解率越低,推测镍金属 并未起到催化加氢的作用,合金的还原作用来源于 零价铜。

此外,相同条件下对 50mg/L的 4-CP水 溶液降解 8h,零价铜获得的降解率达 70%以上,而 Cu-Fe体系的降解率只有 34%,相比之下零价铜 的脱氯性能较高,也符合直接电子传递作用比氢解 还原活性强的规律。

2.2 4-CP在零价铜表面的降解机制
上述实验并不符合相关文献[11,14]的报道,学者 们普遍认 为 铜 是 一 种 惰 性 金 属,它 的 还 原 能 力 差, Cu-Fe、Cu-Al双金属体系普遍只能还原稳定性较 差的烷基氯,而对化学稳定性能较好的芳香族有机 氯 4-CP几乎没有开展研究。


为了求证零价铜高效脱氯的原因,本研究从微 观层面考察了 4-CP及苯酚在零价铜上降解的路 径。

由于直接电子传递要求反应物与金属之间间距 小,考虑到 4-CP的富电子苯环结构可能与零价铜
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图 3 球磨 6h后(a)Cu-Fe合金(1∶9)及(b)Cu-Ni合金 降解 pH=3的 50mg/L4-CP溶液降解情况
Fig.3 Compoundconcentrationsduringthedegradationfor50 mg/L4CPsolutionwithinitialpH=3.Theballmilling timewas6hforCuFeorCuNialloy
图 4 铜 粉 投 加 量 为 100g/L,对 (a)50mg/L苯 酚 溶 液、 (b)500mg/L一氯乙酸及二氯乙酸的降解情况
Fig.4 Degradationof100g/Lcopperpowerdosagefor(a) 50mg/L phenol,(b)500 mg/L monochloroacetate anddichloroacetate
空电子轨道存在共轭作用,实验考察了苯环结构对 零价铜表面的还原作用影响。


将零价铜直接处理苯酚溶液,如图 4a所示,苯 酚的浓度快速下降,降解率上升,表明铜对含有苯环 结构的 4-CP及苯酚均有高还原活性。

还原产物 经 GC-MS鉴定为苯环加氢产物———环己酮。


苯环是否是零价铜降解有机氯的必要条件?对 此,在同样 条 件 下 考 察 了 零 价 铜 对 脂 肪 族 有 机 氯 (一氯乙酸及二氯乙酸)的 降 解 情 况。

如 图 4b所 示,零价铜在 8h内未能降解一氯乙酸及二氯乙酸。

实验结果证实零价铜能够降解化学稳定性比较高的 4-CP而未能降解化学稳定性相对较差的一氯乙酸 和二氯乙酸,这与催化加氢降解理论相矛盾,进一步 证实了零价铜脱氯机制非传统的催化加氢机制,而 是直接电子传递还原。

苯环分子在零价铜直接电子 传递中的重要作用,可能的原因就是零价铜与苯环 的 pi电子直接的共轭作用,导致有机氯与零价铜的 间距减小,实现了电子直接传递。


因共轭作用机理的参与而诱导电子的直接传递 机制被不同酸体系下零价铜降解 4-CP的结果所
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证实。

以 pH=5的盐酸、乙酸、硫酸为溶剂配制相 应的 50mg/L4-CP溶液,反应的零价铜也以相应 的酸进行表面活化,结果如图 5a所示。

盐酸体系下 苯环的降解最快,12h后降解率达 92%;乙酸次之, 降解率为 26%;硫酸几乎不降解。

还原反应的速率 取决于零 价 铜 表 面 与 有 机 氯 的 有 效 吸 附 程 度,Cl- 因强配位作用在零价铜表面的吸附最弱[12,32],大量 的表面接触位点被 4-CP占据得以被降解。


此外,在盐酸体系中苯酚的浓度呈现先增后减 的趋势,4-CP、苯酚 及 环 己 酮 的 总 摩 尔 数 稳 步 下 降,如图 5b实验结果表明零价铜对 4-CP的降解 产物———苯酚仍能进一步降解。

随着反应进行,环 己酮产物增多,同时环己酮的水溶性差且具有挥发 性,随着反应进行不断挥发,导致总碳下降,由此可 以解释在零价铜直接电子传递还原过程中呈现 4- CP与苯酚两物质的质量不断下降。


3 结语
本研究发现零价铜遵循直接电子传递还原脱氯 机制。

借鉴微观界面分析技术及色谱分离技术,充
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图 5 (a)pH=5的不同酸体系下,100g/L铜粉对 50mg/L 的 4-CP降解曲线;(b)盐酸体系中 4-CP的降解曲 线,苯酚、环己酮生成曲线与总有机碳变化曲线
Fig.5 (a)Degradationfor50mg/L4CPsolution,initialpH =5,with100g/LdosageCupower;(b)Degradation andtotalorganiccarbonfor4CPinHClsolution,with 100g/LdosageCupower
分表征了界面脱氯机制的选择及复杂产物的转化 过程。


在 Cu-Fe球磨合金的微观环境中与 Cu-Ni 及单独零价铜的微环境存在下,零价铜对 4-CP的 还原脱氯机制不一致。

在 Cu-Fe合金体系中,4- CP的降解产物为苯酚。

零价铜对 4-CP呈现出强 还原活性,最 终 产 物 为 苯 环 加 氢 产 物———环 己 酮。

有机氯分子的苯环结构是零价铜直接电子传递还原 的诱因,脂肪族与芳香族有机氯在零价铜表面截然 不同的降解率表明零价铜的还原活性得益于苯环与 零价铜的弱吸附作用。


本研究为零价铜在还原脱氯污染物治理方面的 进一步科学研究及实际应用提供了新的理论依据。

基于本研究获得的结论,今后有必要更深入地研究 铜基材料其他组合方式及相关机理研究,探索零价 铜作为环境脱氯材料的工程化应用的可能性。


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第 2期
朱洪,等:基于 SEM-EDS及 GC-MS技术研究有机氯分子结构对零价铜脱氯机制的影响
第 34卷
WangQ P,KuangY,Jin X Y,etal.Simultaneous RemovalofCu(Ⅱ)andChlorobenzenefrom Aqueous SolutionbyCANi/FeNanoparticles[J].ActaScientiae Circumstantiae,2014,34(5):1228-1235. [31] LiX C,MaJ,Liu G F,etal.EfficientReductive DechlorinationofMonochloroaceticAcidbySulfite/UV
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EffectofMolecular Structure in Chlorinated Organic Compoundson ZerovalentCopperDegradation Mechanism Based on SEMEDS and GCMSTechniques
ZHUHong,LIUJing,JIAOHantao,ZHANGJing,DUANJiangtao,LIANXingye,HOUYanan
(CollegeofBiologicalScienceandEngineering,BeijingUniversityofAgriculture,Beijing102206,China)
Abstract:Zerovalentcopper,evencheap,israrelyusedinhydrodechlorination(suchaschlorinatedaromatic hydrocarbons),becauseCuhaspoorcatalyticaldechlorinationactivityandcomplexreactionmechanisms.Inthis study,CuFeandCuNialloyswerepreparedbymechanicalballmilling,andtheeffectofmicroenvironmentfor thechlorophenol(4CP)dechlorinationbehaviorofCuwasstudiedinordertoinvestigatetheeffectoforganic chlorinemolecularstructureonCudechlorination.Tworeactionmechanismswereexaminedforlowcostcopper duringdechlorination.SEMEDSandGCMSanalysesshow thatthestructureoforganicchlorineandCumetal environmentcould directly affectthe mechanism. In the CuFe system, Cu followsthe classic catalytic hydrodechlorinationmechanismandthedegradationproduct4CPisphenol.ButintheCuNisystem,nickelmetal doesnotplayacatalytichydrogenationofaction,thedegradedproductfor4CPbyCuNialloyiscyclohexanone. Copperactsashydrogenmetalandshowsastrongreducingactivitybydirectelectrontransfer.4CPdegradationfor Zerovalentcopperwasupto70%,whileonly34% forCuFesystem.Thesedifferencesconcludedthatthe aromaticringwasadirectelectrontransferforCu.Zerovalentcoppercandegrade4CPandphenolwithhigh chemicalstability, butcannotdegrade aliphatic chlorinated organics (e.g., monochloroacetic acid and dichloroaceticacid)withrelativelypoorchemicalstability.Inconclusion,dechlorinationmechanismforzerovalent copperisnottraditionalcatalytichydrodechlorination,butthedirectelectrontransferreductionmechanismwhichis affectedbytargetmoleculestructure. Key words: chlorinated organic compounds; zerovalentcopper; copper alloy; degradation mechanism; mechanicalballmilling; Scanning Electron MicroscopyEnergydispersive Spectrometry (SEMEDS); Gas ChromatographyMassSpectrometry(GCMS)
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