电化学-Fe2+活化过氧单硫酸盐去除实际印染污泥中16种优先控制多环芳烃的研究

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纺织印染行业是我国的支柱型产业,据统计我国2021年产生的纺织印染废水大约二十亿吨,在四十一个工业行业中排第三。由纺织印染废水形成的印染污泥中含有大量的染料残留、染色助剂、重金属离子等污染物,已被我国定为需要严格控制的危险废物。多环芳烃(PAHs)是印染污泥在生产过程中与染料相关的主要有毒污染物,因其具有致畸、致癌、致突变特性,已被多个国家定义为优先污染物。传统的污泥处理技术包括污泥填埋和污泥焚烧对PAHs处理效果有限,会将有毒物质转移到环境中,造成二次污染。因此,在印染污泥处理处置之前必须找到一种有效的方法去除其中的PAHs。近年来,高级氧化工艺因其能高效消除持久性有机污染物而引起了广泛的关注,与传统Fenton产生的羟基自由基相比,由过硫酸盐产生的硫酸根自由基具有更高的氧化电位、更长的半衰期和更广的p H范围。本文提出了一种电化学-Fe2+活化过氧单硫酸盐(PMS)氧化体系去除印染污泥中16种优先控制PAHs的方法,构建了以铁作为阳极、碳毡作为阴极的电化学体系,通过电化学释放Fe2+活化PMS去除印染污泥中的PAHs。获得的主要研究结果和结论如下:(1)通过GC-MS对印染污泥中16种PAHs进行了全类型识别,明确了印染污泥中不同PAHs的含量与占比。测试结果表明:印染污泥中16种PAHs的总浓度为1326 ng g-1,其中三环和四环芳烃占比61.9%,菲、苯并蒽、(?)、二苯并蒽分别占11%、12%、9%、9%。(2)通过测试反应前后16种PAHs总量和单个PAHs含量的变化,结合反应过程中Fe2+和Fe3+浓度变化,探究了外加电压、初始p H和PMS剂量等关键运行参数对电化学-Fe2+活化PMS氧化体系降解印染污泥中的16种PAHs的效能的影响,并确定了最佳反应条件。研究结果表明:调节施加电压、初始p H和PMS剂量,可以显著提高多环芳烃的去除率,在电压为7 V时,阳极PAHs去除率比不施加电压和以碳毡作为阳极材料相比高55.5%和85.2%。当PMS剂量从100 mg/g逐渐增加至400 mg/g时,PAHs去除率逐渐增大。与初始p H=7.0和8.5相比较,p H=3.0时阳极PAHs去除率高44.0%和49.1%,阴极PAHs去除率高102.0%和79.2%。PAHs去除率在7 V、3.0和400 mg/g的最佳条件下,阳极的16种PAHs去除率为64.7%,阴极为16.1%,电化学-Fe2+活化PMS能有效降低16种PAHs中12种PAHs的含量,且低环PAHs比高环PAHs更易降解。Fe2+浓度决定着PAHs的去除率,增加Fe2+浓度能提高去除率,而Fe2+浓度过高又会发生淬灭反应降低去除率。(3)研究了电化学-Fe2+活化PMS氧化体系对印染污泥中16种PAHs的去除机理:通过自由基捕获实验确定了电化学-Fe2+活化PMS氧化体系中活性物质的种类,结合自由基淬灭实验明确了各自由基对PAHs去除的贡献。通过测试反应过程中印染污泥TOC变化及通过扫描电镜观察反应前后污泥形态研究了污泥的破胞效果。使用X射线光电子能谱仪测试了阴极电极表面Fe2+和Fe3+价态变化研究了阴极室的反应机理。通过GC-MS定性分析印染污泥中PAHs降解产物明确了PAHs的降解途径。研究结果表明:电化学-Fe2+激活PMS氧化体系主要存在两种自由基SO4·-和·OH,最佳实验条件下(电压=7 V、p H=3.0、PMS剂量=400 mg/g),·OH和SO4·-在阳极和阴极对16种PAHs去除的贡献率分别为29.9%、4.2%和13.5%、8.1%。污泥氧化过程为污泥细胞受到自由基攻击裂解释放胞内有机物,然后进行氧化降解,将PMS剂量增大到600 mg/g,可去除阳极和阴极中56.6%和33.1%的TOC。与反应前后阴极室底的污泥相比,阴极电极表面Fe3+含量较高,证明反应发生于阴极电极表面。阳极通过电解铁产生Fe2+激活PMS,产生的Fe3+迁移至阴极在电极表面得到电子转化为Fe2+激活PMS,两者产生的自由基共同氧化降解有机物。PAHs的降解途径为苯环上的富电子碳原子被自由基攻击开环后降解为CO2、H2O、H2S等物质。本研究的结果可为电化学-Fe2+活化PMS氧化体系应用于去除印染污泥中PAHs提供基础技术参数和理论依据。
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