论文部分内容阅读
采用电化学消毒技术对含有溴化物的水体进行消毒时,阴极对副产物生成的影响规律及其对消毒效果的影响是不可回避的问题。探明不分槽电化学体系内,阴阳极协同作用的情况下,阴极材质对溴类副产物分布规律的影响及其作用机理,对于完善电化学消毒技术系统理论及电化学消毒技术的安全使用具有重要意义。阳极采用氧化能力强的掺硼金刚石（Boron-doped diamond,BDD）电极,阴极分别采用Ti、Cu、Zn、Ni、Cu/Zn、Cu/Pd六种常见的具有良好催化还原能力的电极（其中以Ti阴极作为对照）,构建不分槽电化学体系,循环电解模拟含溴饮用水,研究电化学消毒过程中,阴阳极协同作用的情况下,阴极对溴酸盐（BrO3-）形成的抑制规律。主要结论如下:1、使用六种不同材质的阴极在初始Br-浓度为1 mg/L、pH=7、电流密度为5 mA/cm2、电极间距为2 cm的条件下循环电解模拟含溴饮用水时,BrO3-的生成量由大到小依次为:Ti>Cu>Ni>Zn?Cu/Zn>Cu/Pd。其中使用Cu/Zn阴极和Cu/Pd阴极时,对BrO3-形成的抑制作用最为明显,分别仅为使用Ti阴极时的32.20%和25.85%。2、通过氧化物质产率测定、电解BrO3-及电化学行为表征可初步推断,电解模拟含溴饮用水过程中,阴极对阳极氧化物质的产率没有显著影响,对于BrO3-生成的抑制,可能是由于其良好的催化还原能力,使得体系中原本与氧化过程共存的还原过程速率提升,从而改变了电化学消毒过程中溴类无机副产物的分布规律。3、从热力学角度论证推断出实验条件下氧化反应和还原反应能够双向同步进行,即BrO3-的还原反应在电化学消毒体系内能够发生,进一步论证阴极对BrO3-的抑制是通过其表面的还原过程来实现的。4、建立一级连续反应动力学模型,从动力学的角度更进一步明晰不同阴极材质对BrO3-副产物形成的影响机理,得出结论:电化学体系内溴类无机物质的转化符合一级连续反应动力学模型;BrO3-的还原路径在不同阴极表面有所不同,在Ti和Cu电极表面的转化路径主要为直接还原,即BrO3-得电子逐步还原为HBrO/BrO-和Br-;BrO3-在Ni、Zn、Cu/Zn、Cu/Pd电极表面的转化路径主要为间接还原,即H+与电子结合形成H*,H*与BrO3-结合转化为Br-。5、在电化学消毒过程中,六种不同电化学体系下BrO3-的生成速率随初始Br-浓度基本呈逐渐增大的趋势,BrO3-在Cu/Pd阴极和Cu/Zn阴极表面还原为Br-的反应速率更大。溶液pH为酸性时,Br-转化为BrO3-所需的电极电势较碱性条件下更高,有利于促进阴极的BrO3-副产物抑制作用。电流密度增大,正向氧化反应和逆向还原反应的速率均随电子转移速率增大,但以BDD为阳极的电极体系内,溶液内溴元素的转化主体呈现由低价态到高价态的氧化走势;Cu/Pd阴极在高电流密度条件下较其他阴极表现出了卓越的电生H*能力。随电极间距的进一步扩大,对BrO3-抑制效果较好的阴极电生H*的能力因电子迁移速度而受到影响,对消毒体系内BrO3-的抑制作用减弱。天然有机物共存的情况下,溴酸盐的生成量显著减少;使用催化还原能力更强的阴极在抑制溴类无机副产物形成的同时,对毒性更高的溴代有机副产物也有良好的抑制作用。实际消毒时,当消毒水体的细菌浓度不超过13×103 CFU/mL时,其对BrO3-的抑制作用仍然存在,且细菌初始浓度越大,消毒过程中生成的BrO3-越少。同时,消毒效果基本不会受到影响。