电化学阴极增强Co(Ⅱ)-过硫酸盐体系降解水中磺胺甲恶唑的研究

摘要

随着我国经济的快速增长及人们生活水平的提高，以药物和个人护理品为代表的典型微量有机污染物在水环境中被频繁检测出来，引起了国内外学者的广泛关注。由于传统的水处理工艺难以将其有效去除，而高级氧化技术因能将水中有机污染物快速地分解氧化为低毒或无毒的小分子物质，甚至能够进一步彻底地转化为 CO2、水和无害盐等，成为了去除水中难降解有机污染物的研究热点。实验以难生物降解的抗生素药物磺胺甲恶唑（SMX）为目标污染物，探究了电化学阴极增强Co(Ⅱ)-过硫酸盐耦合体系去除水中SMX的可行性，并系统地分析了各实验因素对其降解的影响，最后对反应机理进行了初步探究。　　与单独Co(Ⅱ)、单独过硫酸盐、单独电解、电-过硫酸盐体系及过硫酸盐-Co(Ⅱ)体系相比，电化学增强 Co(Ⅱ)-过硫酸盐体系(E-Co(Ⅱ)/PDS)对 SMX 的去除率及其反应速率最高，加入电流明显促进了SMX的氧化，三者之间具有一定的协同作用。通过不同阴极材料的实验对比，与钛镀铂、石墨棒、钌铱阴极相比，活性炭纤维（ACF）作为阴极时，能大幅度提高E-Co(Ⅱ)/PDS体系对SMX的去除效果。其中，与钛镀铂阴极相比，ACF作为阴极时，E-Co(Ⅱ)/PDS体系对SMX的降解率、反应速率及其矿化度均有显著提高，尤其是矿化度得到了显著增强，且能有效控制出水中钴离子浓度。并在以ACF作为阴极的情况下，系统地探讨了E-Co(Ⅱ)/PDS-ACF体系(即ECP-ACF体系)对SMX的降解情况，分别讨论了单独过硫酸钠、电吸附、过硫酸钠-Co(Ⅱ)体系、电/活性炭阴极-过硫酸钠体系、电/活性炭阴极-Co(Ⅱ)体系以及ECP-ACF体系对SMX的降解情况，结果表明ECP-ACF体系在降解率、矿化度、反应速率及过硫酸盐利用率等方面均远优于其他组合，进一步证明了ECP-ACF体系用于水中SMX的去除是可行的　　研究系统地分析了过硫酸盐浓度、Co(Ⅱ)投加量、电流密度、溶液初始 pH、电解质浓度、共存阴离子及不同水源水质等对ECP-ACF体系降解水中SMX的影响，结果表明 SMX 去除率随着过硫酸盐浓度、Co(Ⅱ)投加量及电流密度的增大而增大。溶液初始pH对体系氧化降解能力的影响并不显著，在pH=2~9范围内，均能有效去除SMX。电解质硫酸钠的浓度对体系具有一定影响，在5~25 mM范围内时，SMX降解率随电解质浓度的升高而增加，当电解质浓度进一步提高时将对反应产生抑制效果。水中常见的共存阴离子中，NO3-对ECP-ACF体系几乎没有影响，而Cl-、PO43-能显著加快反应速率。且研究发现ECP-ACF体系不论是以纯水，还是以自来水、地表水作为本底溶液时，对SMX的去除率皆高于90%，且自来水效果最好。　　在机理探究过程中，考察了ECP-ACF体系中活性炭纤维电极的重复使用情况，研究发现阴极电场能够有效保护活性炭纤维结构，且活性炭纤维重复使用10次后几乎不影响体系的氧化能力。通过甲醇、叔丁醇及苯酚等自由基捕获剂进行自由基鉴定实验，分析得知羟基自由基和硫酸根自由基的存在是SMX降解的主要原因，其中硫酸根自由基的作用占主导地位，且反应主要发生在活性炭纤维表面。

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2 国内外磺胺甲恶唑处理研究现状

1.2.1 生物处理技术

1.2.2 物理处理技术

1.2.3化学处理技术

1.3过硫酸盐高级氧化技术研究进展

1.3.1 热活化

1.3.2 紫外光活化

1.3.3 碱活化

1.3.4 超声波活化

1.3.5 过渡金属活化

1.3.6 活性炭活化

1.3.7 电化学活化

1.4 研究目的

1.5 研究内容

2 实验材料及方法

2.1.1 实验药品

2.1.2 实验仪器

2.2.1 活性炭纤维预处理

2.2.2 实验药品配置

2.2.3 实验装置及步骤

2.3测试分析方法

2.3.1 磺胺甲恶唑测试分析方法

2.3.2 过硫酸钠测试分析方法

2.3.3 TOC测试分析方法

2.3.4 紫外-可见吸收光谱全扫描分析

2.3.5 活性炭纤维表面性质表征

2.3.6 总钴含量测试分析方法

3 电-Co(Ⅱ)/过硫酸盐体系降解水中SMX的可行性研究

3.1 E-Co(Ⅱ)/PDS体系降解水中SMX初探

3.2 E-Co(Ⅱ)/PDS体系中不同电极选择及其优化

3.2.1 E-Co(Ⅱ)/PDS体系中不同电极对SMX的降解效率研究

3.2.2 E-Co(Ⅱ)/PDS体系中不同电极处理SMX的全扫描及矿化度分析

3.2.3 E-Co(Ⅱ)/PDS体系中不同电极对体系中钴离子浓度的控制

3.3 ECP-ACF耦合体系对水中SMX的氧化效率

3.3.1 ECP-ACF体系对SMX的降解效率研究

3.3.2 ECP-ACF体系对水中SMX的矿化程度

3.3.3 ECP-ACF体系中过硫酸盐剩余率分析

3.4 本章小结

4 ECP-ACF体系降解水中SMX的影响因素探究

4.1 初始pH对SMX降解的影响

4.2 过硫酸盐浓度对SMX去除效果的影响

4.3 钴初始投加量对SMX去除效果的影响

4.4 电流密度对SMX去除效果的影响

4.5 电解质浓度对SMX降解的影响

4.6 共存阴离子对SMX降解的影响

4.7 不同水源水质对SMX降解的影响

4.8 本章小结

5 ECP-ACF体系降解水中SMX的机理研究

5.1 活性炭纤维对SMX降解的机理

5.2 自由基捕获实验

5.3 ECP-ACF体系降解SMX的机理分析

5.4 ECP-ACF体系能耗分析

5.5 本章小结

6 结论、创新点与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 展望

参考文献

附录

A 作者攻读硕士期间所发表的论文和专利

B 学位论文数据集

致谢