UV耦合BDD电化学体系调控自由基强化亲水性苯系污染物的降解机制研究

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水环境问题一直以来都是人类社会关注的热点,而随着现代城市化进程的不断推进,由城市生产、生活垃圾填埋产生的含苯系有机污染物废水正逐渐侵蚀着水资源环境。在许多地区的地下水、地表水中频繁检出苯系有机污染物。以苯酚、苯胺、苯甲酸和硝基苯为代表的苯系有机污染物具有很强的生物毒性,且在环境中容易转变成强致癌性的富集产物,具有极大的环境危害性。常规的生物处理技术受制于高毒性有机污染物的存在,难以发挥效用;传统的芬顿法以及高级氧化技术容易造成二次污染;膜处理技术只能将水体中的苯系有机污染物不断富集,不能从根本上解决问题。基于UV的光解作用以及以硼掺杂金刚石(BDD)电极为代表的电化学高级氧化技术,因具有无二次污染,操作简单,易于自动化管理等优点,在处理高毒性有机废水领域受到了广泛的关注。本论文以苯系有机物中极具代表性的污染物苯胺、苯酚、苯甲酸和硝基苯为研究对象。从有机物自身的亲、疏水性质出发,研究了苯系有机物亲、疏水性与电化学氧化之间的构效关系。首先,我们发现在使用掺硼金刚石(BDD)阳极降解污染物的过程中,BDD阳极表面羟基自由基的间接电化学氧化是最主要的降解机理,但这种电化学方法在去除亲水性苯系有机污染(如苯酚、苯甲酸和苯胺)方面表现出明显的低反应性。主要原因是在BDD为阳极的电化学体系中,其活性物种与污染物之间的降解反应主要发生在电极表面,而亲水苯系有机物污染物倾向于分散在水溶液体系中,难以与BDD阳极产生的表面·OH直接接触。此外,我们发现通过将紫外光(λ=254 nm)辐照与BDD电化学氧化技术耦合,可以显著提高亲水性苯系有机污染物的降解速率,相对于单独BDD电化学体系,目标污染物的降解速率提高了10倍左右。根据淬灭实验和分析苯甲酸氧化产物,可以得出结论:表面结合态羟基自由基(即表面·OH)是BDD电化学体系降解苯系有机污染物的主要活性物种,而自由扩散的溶液相羟基自由基(即游离态·OH)则成为紫外耦合BDD电化学体系的主要活性物种。通过分析循环伏安测试(CV)和溶解氧(DO)测试的结果,可知紫外光会分解BDD阳极表面形成的H2O2,从而提高析氧电位,促进表面·OH向游离态·OH的转化,提高了亲水性苯系污染物与活性自由基的接触概率,进而增强了亲水性苯系有机污染物的降解效率。其次,我们发现以垃圾渗滤液为代表的实际废水中含有大量的苯系有机污染物,其含有的具有复杂结构的苯系有机污染物(腐殖酸、富里酸等)是其难以降解的症结所在。通过对这些复杂有机物的结构分析,我们发现这些复杂有机物的边缘结构中含有大量具有亲水性官能团(氨基,羧基,羟基等)。而这些边缘官能团的存在导致其难以在电极表面发生反应,严重制约了电化学体系在实际废水处理方面的应用。基于前期的研究内容,我们将构建的UV/BDD体系应用于垃圾渗滤液的深度处理。经过UV/BDD体系处理12 h后,渗滤液的COD降低为97 mg/L(移除效率达到91%),我们进一步分析了渗滤液的三维荧光光谱和X射线能谱,在UV/BDD体系中垃圾渗滤液中类腐殖酸和类富里酸等难降解有机物得到有效去除。初步探索了并通过单因素实验探索了UV/BDD体系处理垃圾渗滤液最佳的工艺条件。综上所述,本论文从BDD电化学体系的电极表面反应机制出发,考察了苯系有机污染物自身亲、疏水性对于BDD电化学体系中降解效率的影响机制,研究了亲水性苯系有机污染物在BDD体系中降解速率较慢的原因。并通过构建UV/BDD体系提升了亲水性有机污染物的降解速率。深入地研究了UV/BDD体系强化亲水性有机物降解速率的反应机制。并将其应用在实际废水的处理中。该研究对电化学高级氧化技术的工程化应用具有指导意义。
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