[发明专利]一种基于同步辐射Q-XAS对砷与铬的氧化还原反应速率进行监测的方法

说明书

本发明公开了一种基于同步辐射快速X射线吸收光谱(Q‑XAS)对砷与铬的氧化还原反应速率进行实时监测的方法，包括以下步骤：(1)将含Cr(VI)和As(III)的悬液加入到侧面以透明kapton薄膜密封的开口反应器中，在一定背景电解质条件下开始反应，透明薄膜对悬液进行X射线扫描，采集As或Cr的K‑边XAS光谱，连续采集直至反应结束；(2)将采集的光谱通过Athena软件进行预处理和线性拟合，得到目标元素形态含量随反应时间的变化，而后利用动力学方程对数据点进行拟合，即可得到As(III)与Cr(VI)发生氧化还原反应的速率常数，与现有技术相比，该方法具有实时、高效、准确等优点。

技术领域

本发明涉及化学反应过程的监测表征方法，具体涉及一种利用快速扫描X射线吸收光谱(Q-XAS)原位测定As与Cr的氧化还原反应速率的方法。

技术背景

随着工业技术的飞速发展，工业生产的废水、农药和医药废弃物等引发的重金属污染逐渐成为全球性的环境问题。其中，重金属As和Cr是对人体危害极大的有毒元素，易通过食物链和地球化学循环不断积累，对人类健康和生态系统造成极大的威胁。As在天然水体中主要以As(III)和As(V)两种形式存在，前者毒性比后者大60倍，且移动性强，不易被固定。Cr广泛分布于地壳中，常以Cr(VI)和Cr(III)形式存在，且Cr(VI)毒性是Cr(III)的100～1000倍。由于As与Cr的毒性与其化学价态密切相关，在高效治理As和Cr污染的水体或土壤时常考虑先将其氧化或还原为毒性更低的价态再加以固定去除。那么，如何原位、准确、高效地表征As或Cr的氧化还原速率对明确其反应过程具有十分重要的指导意义。

目前化学比色法是最常用于测定As(V)和Cr(VI)浓度的方法，而As(III)和Cr(III)的浓度只能通过总量差减法来计算，在这些测定和计算过程中都会存在一定误差。此外，在固液反应过程中，不同形态的As或Cr不仅存在于溶液中，而且有大部分吸附于固体表面，通常需要通过特殊的提取剂将固体表面的As或Cr解吸后再进行测定、计算，但这种方法存在解吸不完全的情况，导致测定结果偏低。相比之下，Q-XAS可以原位采集整个悬液体系中目标元素的光谱数据，利用Athena软件分析拟合，获得样品中目标元素不同价态所占的比例，更能准确、快速的反映目标形态的含量变化。此外，Q-XAS可在配备一定实验装置后，以荧光模式快速采集目标元素的光谱，每个光谱的采集时间不足一分钟，通过实时采集过程光谱，最大限度上准确原位表征反应速率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于同步辐射Q-XAS对砷与铬的氧化还原反应速率进行监测的方法，该方法具有实时、高效、准确等优点。

一种基于同步辐射Q-XAS对砷与铬的氧化还原反应速率进行监测的方法，包括以下步骤：

(1)将含Cr(VI)和As(III)的悬液加入到侧面以透明薄膜密封的开口反应器中，加入背景电解质后开始反应并通过透明薄膜对悬液进行X射线扫描，采集As或Cr的K-边XAS光谱，连续采集直到反应结束；

(2)将采集的光谱通过Athena软件进行预处理和线性拟合，得到目标元素形态含量随时间的变化，而后利用动力学方程对数据点进行拟合，即可得到As(III)与Cr(VI)发生氧化还原反应的速率常数，

其中，每个光谱的扫描范围为边前200eV到边后600eV，由于As的K边能量为11.869keV，因此扫描范围设定为11.67-12.47keV；由于Cr的K边能量为5.989keV，因此扫描范围设定为5.79-6.59keV，

所设置的扫描步长和时间如下所示：

优选地，所述透明薄膜为Kapton膜。

优选地，所述背景电解质为0.05M NaNO₃。

与现有技术尤其是溶液化学分析方法相比，本发明光谱分析方法具有以下优点：