电催化氧化降解磺胺类抗生素研究

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磺胺类抗生素(Sulfonamides,SAs)是一类具有对氨基苯磺酰胺结构药物的总称,有广谱抗菌性,目前广泛应用于人类医疗、畜牧水产养殖等行业。抗生素的大量使用,使得环境中的耐药菌大量繁殖,耐药性逐步增强,危害人类健康。电化学高级氧化技术具有用途广泛、操作简单、降解高效和环境友好等优点,被认为是最有发展前途的高级氧化技术(Advanced oxidation technologies,AOPs)之一。本研究以SAs为研究目标,通过电催化技术以及电催化技术与其它方法的协同,对环境中存在的部分磺胺类污染源进行修复研究,以期为抗生素的污染修复提供一定的参考价值。研究的主要内容如下:(1)以水体中磺胺类抗生素的母体物质磺胺(Sulfonamide,SA)为研究对象,考察SA初始浓度、溶液pH值、电流密度、阳极材料、电极间距、电解质种类和浓度对SA降解的影响,运用循环伏安法和水杨酸自由基捕获法研究电催化氧化降解SA的作用机制,利用LC-MS分析电催化SA的降解产物。结果表明:电催化氧化降解废水中SA符合Langmuir-Hinshelwood模型,在最适参数条件下反应3h后,SA降解率可达89.2%;反应液中SA初始浓度、电流强度、电解质浓度越高,电极间距越大,越有利于SA的降解,在酸性条件的降解效果优于碱性;阳极材料为钛镀铂时降解效率最好,钛镀铱钽其次,石墨电极效果最差;比较了Na2SO4、Na2CO3、NaCl、NaNO3 4种电解质的电解效率,降解效果:NaNO3>NaCl>Na2SO4>Na2CO3;电催化氧化降解SA是阳极直接氧化和间接氧化共同作用的过程,大多数SA分子在阳极表面的直接电子转移是降解反应的第一步,然后再进入溶液中与电解体系产生的氧化性物质发生间接氧化,最终被矿化生成CO2、H2O和小分子有机酸。(2)以畜禽养殖生产中广泛使用的磺胺间甲氧嘧啶(Sulfamonomethoxine,SMM)为研究对象,采用电催化氧化协同CaO2的方法降解畜禽养殖废水中的SMM,比较不同反应体系对SMM的降解效果,考察了电流密度、CaO2投加量、初始pH值、废水稀释倍数对SMM降解的影响,以及对废水COD和重金属的去除效果。结果表明:单独加Fe2+、单独加CaO2、CaO2和Fe2+以及单独电催化EC 4种体系,反应120 min后,对SMM的降解率分别为1.5%、13.6%、16.2%和36.7%,电催化协同CaO2氧化体系的降解率为78.2%,说明该方法能够有效去除畜禽废水中的SMM;电流密度越大,降解效果越好;酸性条件下降解效果明显高于碱性;废水浓度越低,SMM和COD的去除效果越好,最适条件下,COD去除率可达66.1%;同时,体系中产生的Ca(OH)2能够与废水中的重金属发生絮凝沉淀作用,使其去除,CaO2投加量越高,去除效果越好。(3)以城市污泥中检出率较高的SMM为研究对象,采用电催化氧化法降解城市污水处理厂中污泥中的SMM,考察不同电流密度对其中SMM降解的影响,比较投加不同种类和质量絮凝剂对SMM降解的影响,同时测定了污泥脱水特性指标。结果表明:电催化氧化能够有效降解污泥中SMM,电流密度20mA/cm2通电180 min,SMM的降解率可达52%;电流密度越高,SMM的降解效果越好,但电流密度过高,电流效率降低;投加阳离子聚丙烯酰胺(PAM)、聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)3种絮凝剂,SMM降解率依次为66.8%、57.7%、52.8%,未投加絮凝剂的污泥中SMM降解率为69.3%,说明对SMM的降解有轻微抑制,PAM相比其它2种絮凝剂对SMM降解的影响稍小;电催化氧化降解污泥中SMM的同时能够改善污泥脱水性能。(4)以土壤中检出频率较高的7种磺胺类抗生素为研究对象,采用电催化氧化法使其降解,考察不同电流密度和水土比对其降解的影响;在前期研究的基础上,优化电极构型,比较新旧电极装置对SAs的降解效果。结果表明:水土比3︰1、电流密度32 mA/cm2电催化反应6 h,SAs降解率均值达70.7%,电流密度越高,水土比越大,电催化氧化降解SAs的效果越好;内外网优化电极的降解效果明显高于对电极,大大提高了SAs的降解效率和电能使用率,经济高效。
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