生物质炭修饰的电芬顿阴极降解氯霉素的机理研究

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氯霉素作为广谱性抗生素被大量使用于畜禽养殖等行业,来自抗生素制药废水和养殖废水中的氯霉素含量逐渐增高,随着废水排到环境水体中污染水体,引起耐药性菌的繁殖,甚至抗性基因的存在,严重影响人类的身体健康,有必要对氯霉素进行降解。电芬顿技术以及生物电芬顿技术在阴极原位还原氧气产生过氧化氢,进而原位产羟基自由基,无选择性的作用于持久性有机污染物,降解效率高,被认为是一种环境友好型的电化学技术。然而,氧还原动力学过程缓慢,严重影响降解效率,因此众多研究学者研究引入催化剂降低氧还原电位。本研究以黑豆为生物质前驱体,制备出N和O共掺杂的生物质多孔炭,用于修饰电芬顿阴极及生物电芬顿阴极,探讨在生物质多孔炭的作用下电芬顿降解氯霉素的效率,以及生物电芬顿的产电效率与降解氯霉素效率。具体实验内容及结果如下:(1)采用简单的碳化和活化过程,以黑豆为前驱体制备出具有多孔形貌的炭材料。通过SEM、EDS和元素映射图像等形貌表征手段制备的炭材料,表明它是由均匀分布的碳、氮、氧元素组成的多孔形貌的炭材料,碳、氮、氧的质量百分比分别为77.47%,2.01%和20.54%;通过N2吸附-脱附方法、XRD、XPS、拉曼光谱等结构组成表征手段制备的炭材料发现炭材料的比表面积,孔体积和孔径大小分别是663.6 m2 g-1、0.538 cm3 g-1和3 nm,炭的类型主要是石墨碳和不定型碳,碳结合形式为C-C、C-N、C-O和C=O,氧结合形式为C-OH、O-C=O、-COOH、C-O和H-O-H,氮结合形式为吡咯型氮、石墨型氮和氧化氮。(2)生物质炭修饰电芬顿阴极,实验得出炭催化材料能高效地产H2O2,在最佳条件Fe2+浓度为1 mmol/L,p H为3,电压为-0.5 V时降解效率最高(80 min氯霉素降解效率达100%),表观速率常数为0.074 min-1,使用液相色谱-质谱联用仪检测氯霉素降解中间产物得出氯霉素的降解过程主要为脱氯、去硝基,以及苯环的裂解,然后进一步转化为小分子物质。(3)生物质炭修饰生物电芬顿阴极,实验得出生物质炭修饰的微生物燃料电池内阻为147.27Ω,相比碳布阴极电池降低55.26Ω,最大功率密度为261.08m W/m2,相比碳布阴极提高68.27 m W/m2,电池输出电压平均值、最大值和最小值均大于碳布阴极电池;生物质炭修饰的生物电芬顿24 h产H2O2浓度为0.065mmol/L,碳布阴极仅为0.035 mmol/L;生物质炭修饰的生物电芬顿降解50 mg/L氯霉素,24 h降解效率为36.38%,降解1 mg/L氯霉素,24 h降解效率为100%,而碳布阴极降解50 mg/L氯霉素,24 h降解效率为28.45%,降解1 mg/L氯霉素,24 h降解效率为56.63%。与碳布相比,在生物质炭的作用下,24 h降解50 mg/L氯霉素效率提高7.93%,24 h降解1 mg/L氯霉素效率提高43.37%。(4)比较电芬顿和生物电芬顿对不同浓度氯霉素的降解效率,发现电芬顿能快速降解50 mg/L高浓度氯霉素,生物电芬顿系统能快速降解1 mg/L低浓度氯霉素,说明电芬顿适用于降解制药废水中的高浓度氯霉素,生物电芬顿更适用于降解自然水体中的低浓度氯霉素。
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