铁电絮凝产羟自由基氧化降解有机污染物的机理研究

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铁电絮凝(EC)技术因构造简单、成本较低、处理范围广而广泛应用于污水处理领域。目前铁电絮凝主要被认为是一种分离技术,其主要作用机理是吸附和沉淀。然而铁电絮凝中存在污染物的转化现象,按污染物类型的不同,其作用机制被解释为无机变价污染物通过Fe(II)还原或Fe(II)活化氧气产生Fe(IV)导致的氧化转化,而有机污染物则被阳极析氯氧化或阳极直接氧化。相对于无机污染物,有机污染物在铁电絮凝中的降解机制更为复杂,目前依然缺乏对其机理阐释的充分证据。本研究基于中性条件下Fe(II)活化氧气产生活性氧化物的过程,提出了铁电絮凝产羟自由基氧化机制。本文所开展的主要研究内容以及结论如下:(1)以苯胺为探针化合物,验证了苯胺在铁电絮凝中的去除机制不是传统的吸附、沉淀以及阳极析氯氧化和阳极直接氧化,而是电解产生的Fe(II)与溶解氧相互作用产生的活性氧化物导致的氧化降解。继而通过淬灭实验证明了对苯胺起主要作用的活性氧化物为·OH,另外在碳酸氢盐体系中·OH/HCO3-反应生成CO3也有部分贡献。(2)本文对影响铁电絮凝产羟自由基氧化降解苯胺的因素进行研究。研究发现,在碳酸氢钠体系中,溶液pH值的升高(6.58.5)有利于苯胺的氧化降解,而在氯化钠和硫酸钠体系中则呈现相反的趋势;Fe(II)-碳酸盐络合物有利于Fe(II)活化O2产生活性氧化物,提高碳酸氢钠的浓度(1050 mmol?L-1)对苯胺氧化效率的提升效果微乎其微;随着电流强度的提升(1090 mA)苯胺的降解效率随之提升;苯胺初始浓度的增加(0.11 mg?L-1)促进更多的苯胺被氧化降解,但苯胺的降解率随之降低;向电絮凝体系中投加有机配体可能会影响Fe(II)活化O2产生活性氧化物,草酸钠和EDTA能够明显促进铁电絮凝体系·OH的生成,提高铁电絮凝对苯胺的降解效果。(3)通过研究典型环境下铁电絮凝对有机污染物的降解情况,在模拟磺胺污染地下水和模拟苯酚废水中发现了相同的氧化机理和规律。在研究铁电絮凝处理模拟As(III)和磺胺污染的地下水时,发现铁电絮凝在产羟自由基氧化降解磺胺的同时能够生成Fe(Ⅳ)氧化去除As(III)。在研究铁电絮凝处理模拟苯酚废水时,投加草酸钠和EDTA能显著提高苯酚的降解率。本研究表明,在中性条件下铁电絮凝能产生羟自由基导致有机污染物的氧化降解,而Fe(II)-碳酸盐络合物的存在能促进羟自由基的产生。本研究为解释污染物在铁电絮凝体系中的转化或降解行为提供了新的理论证据,有助于提高人们对铁电絮凝的理论认知。
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