铁铜双金属微电解法及其衍生工艺处理典型PPCPs

摘要

近年来随着检测技术的提高，药品与个人护理品(pharmaceuticals and personal care products， PPCPs)在全世界各国均频频报道被检出，这类物质拥有环境持久性、生物积累性和高毒性等特点，因此PPCPs的环境行为和风险越来越受到关注。本文以磺胺甲恶唑和卡马西平为主要研究对象，分别用铁铜双金属微电解法以及铁铜-芬顿联用工艺来去除上述两种目标污染物的水溶液，比较了各种因素对污染物去除效果的影响，讨论了两种药物产生不一样结果的原因，根据单因素实验结果对铁铜双金属微电解法处理磺胺甲恶唑做了响应面分析，并对序批式烧杯实验和长期连续反应实验结果做了研究和比对；通过研究水环境中常见离子对铁铜双金属微电解法处理磺胺甲恶唑的影响，分析讨论了影响机理；根据以铁上镀铜为反应填料的微电解法处理磺胺甲恶唑的的实验，对这种镀铜材料做了表征和处理效果的评估。通过对实验数据以及全文的总结，得出以下结论：
　　（1）铁铜双金属微电解法对CBZ的处理效果不佳，无论如何改变实验条件，CBZ的去除率均不到10％，铁铜双金属微电解法对SMZ有很好的去除效果，当进水pH=3、反应时间=60min、铁投加量=60g/L和铜铁投加比=4:1时，铁铜双金属微电解法对SMZ的处理效果最佳，处理率可达到将近100%。根据Design Expert8.0.6.1软件优化程序，根据SMZ去除率从高到低，得到解决方案（最佳条件）为：pH=2.48、反应时间=69.71min、Fe投加量=70.574g/L、D-铜铁比=4.16:1，模拟SMZ去除率为100%（实际处理效果与预测值接近）。硫酸根离子对SMZ去除率没有明显影响；低浓度的氯离子、高浓度的硝酸根离子、亚硝酸根离子和铵根离子能提高SMZ去除率，但高浓度氯离子和低浓度硝酸根离子、磷酸根离子和钙离子会抑制SMZ去除。
　　（2）通过对SMZ和CBZ去除机理的分析发现，SMZ的去除主要由微电解过程的还原作用引起，但是此微电解过程对CBZ基本没有去除效果。将铁铜微电解进一步耦合芬顿反应，CBZ可被高效氧化去除，去除率为88.2%；另外，芬顿氧化过程也可将SMZ的还原产物进一步氧化去除。
　　在最优反应条件下，连续反应体系能够稳定运行大约18天。稳定期过后，随着工艺中铁析出量下降，目标污染物的去除率也开始下降。连续反应对污染污染的去除效果与序批式实验相比相对较差。反应末期分别做了亚铁和单质铁的两个补加方案，投加亚铁对SMZ的去除工艺没有明显影响，但是迅速提高了CBZ的去除率且效果显著，投加单质铁对SMZ和CBZ的去除率均有明显的提升，且变化迅速。
　　（3）根据铁镀铜微电解法处理磺胺甲恶唑实验发现，铁表面铜的附着程度是该微电解处理工艺对污染物的去除效果的重要影响因素，过多或者太少的铜都会影响污染物的去除效果。试验发现，当铁和铜离子比例为6:0.04，在30oC、100转/分钟的恒温摇床中反应30min钟所得的样品对磺胺甲恶唑的处理效果最好。

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第一章 绪论

1.1 PPCPs研究现状概述

1.2 微电解法概述

1.3 课题研究内容和意义

第二章 实验材料与方法

2.1 填料的选择和预处理

2.2 目标污染物处理

2.3 实验仪器

2.4 实验药品和试剂

2.5 实验方法

2.6 水中铁含量的检测方法

第三章 铁铜双金属微电解法处理磺胺甲恶唑和卡马西平

3.1 铁铜双金属微电解法处理磺胺甲恶唑（SMZ）和卡马西

3.2 铁铜双金属微电解法处理SMZ响应面分析

3.3 不同离子对铁铜双金属微电解法处理SMZ的影响

3.4 本章小结

第四章 铁铜-芬顿联用工艺及工艺连续实验

4.1 铁铜双金属微电解-芬顿联用工艺处理CBZ

4.2 SMZ和CBZ降解机理分析

4.3 连续实验SMZ和CBZ去除效果变化

4.4 连续反应体系铁元素析出量变化

4.5 连续反应末期分别补加亚铁离子和单质铁对体系的影响

4.6 本章小结

第五章 铁镀铜微电解法处理磺胺甲恶唑

5.1 镀铜最优条件确定

5.2 镀铜铁样品电镜及能谱分析

5.3 本章小结

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢