酒糟衍生氧掺杂多孔碳电芬顿阴极降解双酚类有机物机理研究

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双酚类(Bisphenols,BPs)有机物是一类典型难降解的环境内分泌干扰物(Endocrine Disrupting Chemicals,EDCs),在水体环境中广泛存在,其中,双酚A(BPA)和双酚S(BPS)是目前检测频率和检测含量较高的EDCs。研究表明,即使暴露在非常低的BPs剂量下也会对人体和水生生物产生各种不良的健康影响。因此,去除废水中的双酚类有机物对维护人体健康和生态环境具有重要意义。电芬顿高级氧化技术通过阴极O2原位还原生成的H2O2与溶液中的Fe2+发生芬顿反应生成强氧化性的·OH作用于有机污染物,具有降解速率快、效率高、可减少芬顿试剂投入等优点。然而,阴极O2还原为H2O2过程存在较大的动力学能垒,影响了电芬顿的降解效率,因此,构建高效的电芬顿阴极材料是加快O2还原反应和提高H2O2产率的关键。生物质多孔碳因其成本低、高比表面积和高稳定性等优点,在电催化O2还原产H2O2中受到广泛关注。本论文以废弃酒糟为生物质前驱物,经高温碳化、酸浸洗后制得氧掺杂多孔碳(Oxygen-doped Porous Carbon,OPC),考察了OPC电催化O2还原产H2O2性能;并将其用作电芬顿阴极,研究了电芬顿对BPA和BPS的降解效率,最后探讨了电芬顿去除BPA的降解机理。具体实验内容和获得结论如下:(1)以酒糟为生物质前驱体,成功制备了OPC材料。经扫描电子显微镜(SEM)、N2吸附-脱附曲线等表征发现,所制备的碳材料为多级孔结构,主要存在微孔与介孔,比表面积为1432 m~2/g。由X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析表明,材料含有C和O元素,O元素的质量百分比达到19.41 wt%,C和O的结合方式为-COOH和-C-O,材料表面的氧官能团可以作为电催化氧还原的活性中心。(2)OPC具有较好的氧还原活性。在pH为2~6条件下均出现了明显的氧还原峰,峰电位和峰电流密度分别为-0.12~-0.26 V和0.52~0.62 mA/cm~2。将OPC用于电催化O2还原产H2O2,在pH=2、4、6下的最高产率分别为15.46 mmol/L、12.87 mmol/L和13.17 mmol/L,在-0.3~-0.7 V、pH=2~6下产H2O2的电流效率均超过50%。(3)将OPC用作电芬顿阴极,在优化条件下(-0.5 V、0.3 mM Fe2+和pH=4),电芬顿降解20 mg/L BPA和BPS的表观动力学常数分别为0.267 min-1和0.319min-1。通过超高效液相色谱-串联四级杆质谱(UPLC-MS/MS)鉴定出可能存在的中间产物,推测电芬顿去除BPA的过程主要为羟基化、酮化、氧化和苯环间断裂,随后进一步分解为小分子物质。
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