活性炭纤维阴极电芬顿高效去除草甘膦机理与机制研究

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近年来,水体中难降解有机污染物的去除已经成为水处理领域的研究热点,其中具有广谱处理效果且处理效率高、操作简便、与环境友好等优点的高级氧化技术引起了国内外研究者的广泛注意。电-Fenton法的实质是把用电化学法产生的H202和(或)Fe2+作为Fenton试剂的持续来源与不断补充。其中在酸性介质和Fe2+存在体系中,利用O2在阴极还原生成的H2O2与Fe2+反应所产生的羟基自由基(·OH)氧化有机物的电-Fenton反应倍受青睐。利用电-Fenton方法现场产生的H2O2与外投H2O2的传统芬顿法相比具有显著优点:(1)避免了H2O2输送与贮存过程中的潜在风险;(2).H2O2和Fe2+以相当的速率持续产生,能保证长时间的持续高效降解,使有机物能得到更加完全的氧化,且污泥产量少;(3)电-Fenton反应去除有机物有机物去除因素较多,除·OH的氧化作用外,还有阳极氧化,电吸附等。本论文以高表面积活性炭纤维(ACF)为阴极,形稳电极RuO2/Ti网为阳极,利用活性炭纤维准三维结构强化阴极间接氧化作用,利用电-Fenton方法对有机磷农药草甘膦的降解进行研究,取得以下主要结果:1、对活性炭纤维阴极电化学产生H2O2过程进行了系统研究,考察了一些影响因素,如电流强度、初始pH、通气流量、背景气体种类等对H2O2生成的影响。实验结果表明电流强度越大,所产生的H2O2越多;酸性条件有利于H2O2的生成;通气流量主要影响反应的传质过程,气体流量越大,所产生的H2O2越多,但当气体流量增加到一定程度后,其对H2O2产量的影响并不十分明显;背景气体种类对H2O2生成量的影响由高到低依次为氧气、无气体、空气、氮气,其中在无气体通入条件下生成的H2O2要高于通入空气时H2O2的生成量,说明反应中阳极所产生的氧气可以为阴极提供氧气;研究还发现H2O2的生成与水中溶解氧浓度成正比;2、ACF阴极电-Fenton反应可以高效降解农药草甘膦,在pH3.0、电流0.36A和Fe2+1.0mM条件下处理0.5mM(84.5mg/L)草甘膦360min,草甘膦浓度去除率可达到84.4%以上,TOC去除率达到48.5%。以ACF为阴极的电-Fenton反应对水中草甘膦TOC的去除率远远高于单独阳极氧化(TOC去除率为2.7%)和电化学产生H2O2(TOC去除率为20%)过程。ACF阴极电-Fenton系统的最佳pH在3.0左右;电流强度的提高有利于有机物降解;亚铁离子浓度提高可增加TOC去除,但Fe2+浓度过高则会因为Fe2+捕获·OH而使处理效率下降。未处理草甘膦溶液完全不可生化降解(BOD5/COD=0),经电-Fenton反应处理360min后,BOD5/COD增加到0.32,表明该方法增了强废水的可生化性,可作为预处理过程与生化方法结合,有利于有效提高系统处理效率,降低处理成本;3、对电-Fenton反应机理进行了深入研究,利用DMSO和Fast Blue BB Salt方法检测体系中生成的·OH,结果表明在电-Fenton体系中有高浓度.OH的生成;对比了铁离子价态对·OH生成有一定影响,Fe2+产生自由基浓度较Fe3+高;电流强度、金属离子种类、气体种类均对电-Fenton产生·OH有一定的影响;4、本论文还对电-Fenton体系中铁离子的转化进行了研究,结果表明ACF可以有效电化学还原铁离子,能使体系中的Fe2+循环产生,保证对有机物的降解高效进行。电流强度、气体种类均对铁的还原有一影响;电流强度越大,被还原的铁离子越少,这是由于随着电流强度的增加,阳极的氧化作为也逐渐增大,阳极氧化作用大于ACF的还原作用,因此被还原的铁离子浓度逐渐降低;气体种类对铁离子的还原主要为在氮气条件下被还原的铁离子浓度最高,而氧气、空气、无气体条件下对铁离子的还原无明显影响,这是因为以氮气作为背景气体时,体系属于还原体系,有利于铁的还原,而其它背景气体为氧化体系,铁的还原效果较差;5、最后本论文对ACF表面性质进行了表征。用SEM对ACF观察表明:碳纤维表面比较平滑,具有明显的轴向裂纹;通过ASAP2000型比表面仪测定发现ACF具有巨大的比表面积,并且存在大量孔径2nm以上的中孔,98%以上是起吸附作用的微孔和中孔,孔径分布较窄,另外经电-Fenton处理后的ACF比表面积基本无变化,具有很好的机械强度。
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