太阳光电芬顿高效降解抗生素磺胺甲恶唑机理与机制研究

摘要

近年来由于抗生素的广泛使用甚至滥用，导致大量原药及其衍生物通过各种方式进入水环境，诱导环境中抗药菌的产生，对人体健康和生态安全造成巨大威胁，引起了社会各界的广泛关注。磺胺类抗生素因其良好的抗菌作用占据了较大市场份额，其所带来的环境污染问题逐渐成为近年的研究热点。由于这种抗生素具有生物难降解性，常规的水处理工艺（生物处理）很难将其有效去除，因此开发出高效深度矿化这类有机物的工艺就显尤为重要。电化学高级氧化技术能产生高活性羟基自由基，可以无选择氧化有机物，是处理抗生素废水的理想选择。但这种技术处理成本相对较高，影响其实际应用。太阳光是一种绿色能源，本论文提出利用实际太阳光作为能源和驱动力，采用光伏电池助太阳光电芬顿工艺处理水中磺胺类抗生素物质，实现污染物完全矿化，目前关于利用这种方法处理水中抗生素有机污染物还鲜有报道。本文以用量较大的磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole，SMX)为研究对象，以四种不同比表面积活性炭纤维（Activated carbon fiber, ACF）为阴极，探讨了在模拟太阳光氙灯和实际太阳光条件下不同氧化处理SMX过程中的降解过程，具体工作如下:
　　(1)首先研究了ACF对SMX的吸附性能，结果表明ACF比表面积影响其吸附能力，比表面积越大，吸附能力越强。通过对四种比表面积ACF-1000、ACF-1300、ACF-1500及ACF-1800吸附200mg/L SMX溶液多次吸附实验，吸附能力顺序为ACF1000＜ACF1300＜ACF1500＜ACF1800。论文还对不同氧化过程对ACF的再生行为进行了研究。
　　(2)研究了在模拟太阳光氙灯条件下光电芬顿(Xe-PEF)降解SMX过程。以RuO2/Ti为阳极，ACF为阴极，研究结果表明，Xe-PEF过程可以深度矿化SMX，在最优条件pH=3.0，0.36 A，O2流量60 mL/min时，TOC去除率达到73.3％，远高于阳极氧化(AO)12.6％，电化学产生H2O2(AO-H2O2)18.6％，Xe-AO-H2O237.4％，电芬顿(EF)39.5％。而在光伏电池助实际太阳光条件下光电芬顿(SPEF)也可以深度矿化SMX，在最优条件pH=3.0，0.36A，Fe2+1.0 mM，O2流量60 mL/min时，TOC去除率达到63.6％。UV-Vis结果表明Xe-PEF和SPEF均可以彻底破坏SMX分子，其分子中的有机氮经降解后生成氨氮离子。
　　(3)论文还研究了不同波长紫外光如UVA、UVB、UVC照射下的光电芬顿过程对SMX的降解效果对比，UVA-PEF过程TOC去除率为45％，UVB-PEF过程TOC去除率为52.5％，UVC-PEF过程TOC去除率为56.4％。探讨了初始SMX浓度、pH、电流强度、Fe2+浓度、气体氛围等参数对Xe-PEF和SPEF降解过程影响。
　　(4)论文还研究了金刚石薄膜阳极强化光电芬顿(Xe-BDD-PEF)降解SMX过程。以BDD为阳极，ACF为阴极，研究结果表明，Xe-BDD-PEF过程可以深度矿化SMX，在最优条件pH=3.0，0.36 A，Fe2+1.0 mM，O2流量60 mL/min时，TOC去除率达到89.9％。
　　研究结果表明光电芬顿是一种高效处理难降解有机物的工艺，而利用光伏电池的太阳光电芬顿是一种高效低耗的水处理工艺，易于设备化，并且可以通过采用催化阳极如BDD电极实现有机污染物的完全矿化。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 滥用抗生素的危害

1．3 磺胺甲恶唑的理化性质

1．4 抗生素磺胺甲恶唑的特点与危害

1．4．1 抗生素磺胺甲恶唑的特点

1．4．2 对人体健康的影响

1．5 磺胺类药物处理技术

1．5．1 Fenton及photo-Fenton反应

1．5．2 紫外光Fenton法

1．5．3 太阳光Fenton法

1．5．4 电化学高级氧化技术

1．5．5 电化学阴极间接催化氧化

1．6 小结

1．7 研究内容

1．8 研究方案

2 实验材料与方法

2．1 实验药品及仪器

2．1．1 实验药品及材料

2．1．2 实验仪器

2．2 实验装置

2．3 实验方法

2．4 分析方法

2．4．1 TOC分析

2．4．2 紫外可见光谱扫描分析

2．4．3 NH4+-N的测定

2．4．4 H2O2的测定

3 ACF电极表面性质及其吸附性能

3．1 ACF电极的表面性质

3．1．1 ACF表面形貌

3．1．2 ACF比表面性质

3．1．3 ACF的结构特点

3．2 ACF电极的吸附性能

3．2．1 ACF电极对有机物的吸附

3．2．2 不同比表面积电极吸附再生情况

3．3 本章小结

4 模拟太阳光电芬顿降解抗生素SMX

4．1 H2O2的电化学产生

4．2 不同光源照射下AO-H2O2对SMX降解情况

4．2．1 不同光源照射对AO-H2O2降解SMX的影响

4．2．2 氙灯照射下不同比表面积ACF阴极时AO-H2O2降解SMX

4．3 光电Fenton降解SMX

4．3．1 不同处理过程降解SMX的比较

4．3．2 紫外线对光电Fenton反应的影响

4．3．3 氙灯光电Fenton反应条件优化

4．3．4 不同比表面积ACF作阴极降解SMX

4．4 本章小结

5 实际太阳光光电芬顿降解SMX

5．1 实际太阳光下不同ACF阴极AO-H2O2对SMX降解

5．2 太阳光电芬顿SPEF降解SMX

5．2．1 ACF-1000阴极SPEF对SMX降解

5．2．2 ACF-1300作阴极SPEF降解SMX

5．2．3 ACF-1500作阴极时电流强度对SMX降解影响

5．2．4 ACF-1800作阴极时电流强度对SMX降解影响

5．3 ACF比表面积对SPEF降解SMX的影响

5．4 本章小结

6 BDD电极强化阳极辅助光电芬顿降解SMX

6．1 BDD-PEF体系降解SMX

6．1．1 以BDD阳极的多过程降解SMX比较

6．1．2 电流强度对BDD-PEF降解SMX影响

6．1．3 pH对BDD-PEF降解SMX影响

6．1．4 Fe2+浓度对BDD-PEF降解SMX影响

6．1．5 溶液初始浓度对BDD-PEF降解SMX影响

6．2 不同氧化过程降解SMX效果对比

6．3 本章结论

7 实验结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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