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产综研开发成功碳纳米管废水的工业处理方法

2019年02月15日 化学材料
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日本产业技术综合研究所(简称“产综研”)开发出了利用碳纳米管(CNT)与次氯酸化合物的化学反应,从含CNT的工业废水中简单高效地去除CNT的方法。

产综研开发成功碳纳米管废水的工业处理方法

利用次氯酸化合物(NaClO)从含CNT的废液中轻松去除CNT

将CNT等纳米碳材料应用于工业领域时,如何确保相关制造工艺的环保性和安全性是一大课题。此前一直没能确立从含CNT废水中简单去除CNT的方法,成为阻碍CNT无纺布和分散液在工业领域应用的主要因素。此次开发的技术有助于实现以低成本对含CNT废水进行工业处理的方法,通过防止CNT暴露于环境中,有望为发展安全放心的CNT产业做出贡献。

此次开发的技术是用次氯酸和次氯酸化合物对CNT进行氧化和分解。在浓度分别为5mg/L、50mg/L、100mg/L的单层CNT(SWNT)和多层CNT(MWNT)水分散液中添加次氯酸钠水溶液(1.25%),使之在37℃的温度下发生反应。在各种浓度的分散液中,最初因存在CNT而呈黑色的溶液均逐渐变淡,96小时后全部变成透明色(图1)。利用光吸收法定量测量溶液中CNT浓度的结果显示,CNT会随时间的流逝减少,最后基本变为零(图2)。

产综研开发成功碳纳米管废水的工业处理方法

图1:添加了次氯酸钠溶液的CNT水溶液的颜色随时间变化情况
(a)5、50、100mg/L的SWNT溶液,(b)5、50、100mg/L的MWNT溶液

产综研开发成功碳纳米管废水的工业处理方法

图2:利用次氯酸钠处理后,测量700nm波长吸光度的时间变化
(a)5、50、100mg/L的SWNT溶液,(b)5、50、100mg/L的MWNT溶液

另外,产综研还针对工业用CNT分散液,将利用不同表面活性剂分散的3种CNT分散液与次氯酸钠水溶液混合,使之发生反应,确认可以彻底去除CNT。这项技术的工艺非常简单,只需将含CNT的废液与次氯酸化合物溶液混合,静置于合适的温度下即可,适用于CNT制造工厂、加工工厂和研究机构等。

为确认利用该技术处理后的CNT废水能否安全排放,产综研调查了处理后的残液中的成分。首先通过加热去除残液中的次氯酸钠,并测量总碳含量,碳含量低于检测限(4μg/L)。接下来,在残液中少量添加氯化钙,残液颜色立即变得浑浊发白,表示含有碳酸离子(CO3-2)。然后用盐酸中和残液,并利用SEM或EDS(扫描型电子显微镜观察或能量色散型X射线光谱法)进行元素映射,确认残液中仅存在钠(Na)离子和氯(Cl)离子。根据以上结果可以认为,利用次氯酸钠彻底分解了CNT,生成了无害的钠离子、氯离子和碳酸离子(图3)。

产综研开发成功碳纳米管废水的工业处理方法

图3:利用次氯酸钠(NaClO)分解CNT的反应方程式

另外,此次使用的次氯酸钠的浓度低于家用漂白剂等的次氯酸钠浓度,处理后的残液即便含有未发生反应的次氯酸钠的,也能作为普通废水排放(大量排放时要作为工业废弃物处理)。

文 JST客观日本编辑部

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