钛镀稀有金属电极电催化臭氧降解水中有机药物的效果研究

摘要

近年来，作为大量使用的一类具有潜在生理效应的“新型”环境污染物质，科学界和社会对医药品与个人护理品（PPCPs）给予了普遍的关注。环境中的PPCPs主要有两个来源，一个是污水处理厂不完全的处理排放，另一个是人类农业或畜牧业活动导致的直接排放。其浓度在水环境中虽只有纳克级至微克级，但对人类甚至整个生态系统的潜在威胁却难以忽视。长期暴露在其污染下，可能会导致人体的分泌及生殖系统障碍以及水生生物雌性化等诸多的问题。大多数的PPCPs难降解、极性强和易溶于水以及挥发性较弱的特点使它们难以像传统持久性有机污染物（POPs）那样发生全球蒸发行为，这意味着环境中PPCPs的传播方式是通过水相和食物链扩散。因此，研发一种和常规工艺相互配合的、高效且经济的PPCPs处理措施成为了水处理领域迫切的需要。
　　金属电极电化学氧化技术和臭氧氧化法是对环境友好的氧化技术，因此它们一直是环境研究者研究有机药物处理方式的重点。然而，由于臭氧氧化和水电解电位窗口的限制，两者均存在对有机药物降解效率不高，去除不彻底等缺点。本文研究了以钛镀稀有金属为电极时两者耦合降解有机药物的效率、反应条件以及最优工况，以期为建立一个对有机药物具有良好去除效果的氧化体系打下基础。
　　本文首先研究了不同的钛镀稀有金属电极在该耦合氧化体系中的氧化效率。通过降解卡马西平的实验结果表明，这些钛镀稀有金属电极在电催化臭氧耦合氧化体系中对卡马西平和双氯芬酸钠的去除效果都具有一定的协同效应，在相同实验条件下处理8min时，钛镀铂电极电催化臭氧耦合氧化降解卡马西平的去除率达46.91％，比单独臭氧和单独电极的加和值增大了11.42%。其他钛基稀有金属耦合臭氧氧化降解卡马西平的去除率比单独臭氧和单独电极的加和值分别增大了8.18%（钛镀钌铱）、10.80%（钛镀钌钛）、10.81%（钛镀铱钽）、2.04%（钛镀钌铱锡）。另外，相同条件下处理16min时，钛镀铱钽电极电催化臭氧耦合氧化降解双氯芬酸钠的去除率达97.26%，比单独臭氧和单独电极的加和值增大了49.99%。其他钛基稀有金属耦合臭氧氧化降解双氯芬酸钠的去除率比单独臭氧和单独电极的加和值分别增大了29.86%（钛镀钌铱）、46.12%（钛镀钌铱锡）、23.04%（钛镀钛镀铂）、5.68%（钛镀钌钛）。表明该氧化体系在水处理领域中具有较好的应用前景
　　实验接着研究了该耦合氧化体系的影响因素，结果表明臭氧浓度、电流强度、磁力搅拌器转速、pH值、有机药物初始浓度、自由基捕获剂、电解质种类等均对体系产生影响。通过响应面实验表明，现有实验条件下，溶液初始pH值、臭氧浓度、电流强度三因素在钛镀铂电极耦合臭氧体系中对卡马西平和钛镀铱钽电极耦合臭氧体系中对双氯芬酸钠降解率的影响不是简单的线性关系，其两两间亦有一定的交互作用，且臭氧浓度对卡马西平和双氯芬酸钠降解率的影响最为显著，其次是电流强度和溶液的初始pH值。卡马西平响应面得出的最佳工况为电流强度0.15A，臭氧浓度0.4mg/L，pH=7.3。在该实验条件下处理8min时，卡马西平的降解率可达94.71%。经实验验证，实际值与模型预测值拟合性良好（小于5%），偏差为2.19%。双氯芬酸钠响应面得出的最佳工况为电流强度0.08A，臭氧浓度0.4mg/L，pH=5.2，在该实验条件下处理3min时，双氯芬酸钠的降解率可达89.28%。经试验验证，实际值与模型预测值拟合性良好（小于5%），偏差为2.98%。

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1 绪 论

1.1有机药物在环境中的产生途径及危害

1.2 有机药物去除研究现状

1.3钛镀稀有金属电极去除有机物的现状与展望

1.4 研究目的及意义

1.5主要研究内容

1.6技术路线

2 试验材料与测试方法

2.1 试验仪器及材料

2.2试验安排与测试方法

3 电催化臭氧耦合体系对有机药物的处理效果研究

3.1 试验方案

3.2 试验结果

3.3 本章小结

4 响应面法优化反应参数

4.1卡马西平的响应面实验

4.2 双氯芬酸钠的响应面实验

5 结论与建议

5.1 主要结论

5.2 后续研究建议

致谢

参考文献

附录 A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文