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随着工业和农业的迅速发展,排入水环境中的有机污染物的种类和数量持续增加。如今水环境中有机污染物的处理已成为水污染治理的难题。高级氧化技术利用具有强氧化性的羟基自由基迅速、高效地降解有机污染物,从而得到了国内外学者的广泛关注。传统Fenton技术是一种广泛用于水体里有机污染物降解的高级氧化技术。它利用Fenton试剂Fe2+与H2O2反应生成氧化性强的羟基自由基(OH),从而降解有机污染物。基于相似的机理,过渡金属离子(Fe2、Co2+和Ag+等)也可与过硫酸盐(PS)反应生成氧化能力较强的硫酸根自由基(SO4·-),而被称之为类Fenton技术。传统Fenton技术存在Fe2+投加量多,产生的铁污泥多等缺点,因此,有学者将Fenton反应置于电化学反应器中进行,使Fe2+在阴极得以持续再生,这就是广为关注的电-Fenton技术。同样地,基于硫酸自由基的类Fenton技术也存在与传统Fenton技术类似的不足。借鉴电-Fenton技术的成功应用,基于硫酸根自由基的类电-Fenton技术应运而生。本文采用电-Fenton和基于硫酸根自由基的类电-Fenton技术降解水中的新型污染物人工甜味剂和传统污染物合成染料,研究了目标污染物的处理效果、氧化机理、降解路径和毒性变化。(1)本章中首次采用电-Fenton技术降解水中的人工甜味剂阿斯巴甜(Aspartame, ASP).电-Fenton技术将电化学技术与Fenton反应结合,使得投加的Fe2+可以循环利用,避免了Fe污泥的大量产生及污泥的后续处理过程。电-Fenton体系下,ASP能在30 min反应内完全去除,且其去除过程符合准一级反应动力学。实验考察了随Fe2+的浓度和电流强度等因素对阿ASP的去除率和矿化率的影响。以苯甲酸(Benzoic acid, BA)为标准竞争物质,采用竞争反应法测定了ASP与羟基自由基的绝对反应速率常数。采用高效液相色谱(High performance liquid chromatography, HPLC)和离子色谱(Ion chromatography, IC)测量了阿ASP的降解过程中产生的小分子有机酸和无机离子的浓度。采用Microtox法测量了ASP及其中间产物在反应过程中的毒性变化。(2)采用电-Fenton技术降解水中的人工甜味剂糖精(Saccharin, SAC).对比了不同阳极材料下糖精的去除率和矿化率。当使用钛基氧化物涂层电极(Dimensionally stable anode, DSA)、 Pt和金刚石薄膜(Boron-doped diamond, BDD)作为阳极时,糖精均能在30 min反应内完全去除,但是DSA阳极系统的矿化率远低于Pt和BDD阳极系统。在电-Fenton体系下,考察了不同电解质、Fe2+的浓度和电流强度等因素对SAC去除率和矿化率的影响。以BA为标准竞争物质,采用竞争反应法测定了SAC与羟基自由基的绝对反应速率常数。当糖精溶液初始浓度0.2 mM和初始pH值3.0,Fe2+浓度为0.2 mM,电解质Na2SO4的浓度50mM,电流强度200 mA时,360 min反应后碳毡/Pt系统中糖精的矿化率为76.1%,而碳毡/BDD系统中糖精的矿化率96.2%。SAC的降解过程中产生的小分子有机酸采用HPLC测量。采用Microtox法测量了SAC及其中间产物在反应过程中的毒性变化。(3)采用盐桥联接的分区电-Fenton装置处理水中的偶氮染料橙黄Ⅱ,以研究阴极区电-Fenton反应过程的机理。橙黄Ⅱ在阴极区电-Fenton反应过程中的脱色速率比阳极区阳极氧化过程中的脱色速率高得多。在阴极区橙黄Ⅱ的脱色有阴极还原的作用,而其COD和TOC的去除则主要归因于羟基自由基的作用。分析了橙黄Ⅱ溶液的初始pH值、电流密度和Fe3+的浓度等操作条件操作条件对阴极区橙黄Ⅱ脱色过程的影响。橙黄Ⅱ溶液及其中间产物的毒性采用其对水生生物大型蚤的急性毒性效应进行了评估。根据气相色谱-质谱连用技术(Gaschromatography-mass spectrometry, GC-MS)所测橙黄Ⅱ降解过程中的中间产物,分别推出了阴、阳极区橙黄Ⅱ的降解路径。(4)采用了响应面Box-Behnken模型分析EC/a-FeOOH/PDS体系处理水中橙黄Ⅱ的效果。该体系中,a-FeOOH表面的Fe(III)首先在电场的作用下还原为Fe(II), Fe(II)催化过二硫酸盐(PDS)产生硫酸根自由基,从而氧化降解橙黄Ⅱ。反应前后催化剂a-FeOOH表面的元素含量及价态变化采用X-射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)测量。电流强度对橙黄Ⅱ脱色表观一级反应速率常数的影响为正效应,a-FeOOH投加量和PDS浓度的影响不显著。a-FeOOH投加量和PDS浓度之间的交互影响较为显著。模型的方差分析说明模型拟合显著,并且准确有效。在橙黄Ⅱ溶液初始浓度为50 mg/L,初始pH值为7.0,a-FeOOH投加量为0.5 g/L, PDS浓度为2 g/L, Na2SO4浓度为50 mM,电流强度为0.5 A时,橙黄Ⅱ在120 min反应后的脱色率为92.1%。(5)采用EC/Fe3O4/PDS体系处理水中的偶氮染料橙黄Ⅱ。在EC/Fe3O4/PDS体系中,橙黄Ⅱ的脱色具有协同效应。反应后催化剂Fe3O4表面Fe(II)/Fe(III)的比例增大,说明在电场作用下,Fe3O4表面有Fe(II)不断经由Fe(III)还原生成,产生的Fe(II)不断活化PDS产生硫酸根自由基,进而氧化降解橙黄Ⅱ。稳定性实验结果表明Fe3O4沥出少,可以多次重复利用。研究了染料溶液初始pH值、电流密度、过硫酸盐浓度和Fe3O4投加量等因素对橙黄Ⅱ脱色率的影响。采用活性污泥比摄氧速率(Specific oxygen uptake rate, SOUR)测定了橙黄Ⅱ溶液在反应过程中的毒性变化。根据GC-MS所测橙黄Ⅱ降解过程中的中间产物,推出了橙黄Ⅱ在EC/Fe3O4/PDS体系下的降解路径。