膜式电化学高效活化过硫酸盐及其应用研究

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高级氧化技术被广泛用于降解水环境中难降解有机污染物,并取得良好效果。近年来,通过在电催化氧化高级体系中引入过硫酸盐能够在阴极区域原位生成比羟基自由基(·OH,E0=2.74 V)氧化能力更强的硫酸根自由基(SO4·-,E0=2.5–3.1 V),进一步加强电催化高级氧化体系的氧化能力。因此,电化学活化过硫酸盐协同电催化高级氧化耦合技术广受关注。本论文选取过二硫酸钾(PDS)进行研究,首先,通过阳极室和阴极室PDS活化动力学研究及电子自旋共振波谱仪(ESR)研究揭示了PDS在电极表面的活化机制。其次,研究了PDS在5种阴极材料表面的活化动力学,筛选出理想的电极材料。通过构筑新型膜式电化学体系提高PDS的传质效率,系统研究了水动力传质过程、电子转移和水化学参数对PDS活化动力学的影响规律。最后,论文还测试了电化学活化PDS协同电催化氧化耦合技术对模型污染物(甲基橙,MO)及实际废水(垃圾渗滤液)的处理效果。此外,论文还改进了碘量法-分光光度法,显著提高了PDS的定量精确度。论文的主要结论如下:(1)不同阴阳极组合对PDS的活化动力学研究结果表明不同电极材料对PDS活化动力学存在交叉影响,可能的原因是不同的阴阳极组合间的电势分配存在差异。阳极为铂电极(Pt)时,钛(Ti)、石墨(Gr)、不锈钢(SS)作为阴极材料对应的PDS活化动力学为:k Pt/Ti(1.41×10-5 m/s)=1.20 k Pt/Gr=1.29 k Pt/SS;阳极为掺硼金刚石电极(BDD)时,PDS活化动学力遵循:k BDD/Gr(1.50×10-5 m/s)=1.22 k BDD/Ti=1.41 k BDD/SS。(2)阳极室和阴极室PDS活化动力学和ESR研究结果表明:(1)PDS在阴极室存在显著的活化反应,ESR结果表明PDS在阴极表面受电子轰击活化转化为SO4·-,部分SO4·-会与阴极表面电解水产生的OH-反应转化为·OH;(2)阳极室没有观察到明显的PDS活化现象,表明PDS在阳极表面不存在显著的非自由基或自由基活化反应,但是ESR结果表明PDS的存在会促使阳极产生·OH,可能的原因是PDS与阳极表面的活性位点存在作用改变了阳极的析氧反应。(3)线性伏安扫描表明PDS在-0.8V vs.Ag/Ag Cl左右开始发生电子转移活化,PDS的活化速率随阴极电位的增加而快速提升,电子转移不是PDS活化的动力学限制步骤。Batch、flow-by和flow-through模式下PDS的活化动力学研究结果表明传质是PDS电化学活化的速率限制步骤,flow-through模式下PDS的活化表观速率常数达3.13×10-4m/s,是同等条件下传统flow-by和batch体系的6.5~27.9倍。常规脉冲伏安法(NPV)测试表明构建的flow-through膜式电化学活化体系能够有效压缩扩散层厚度,显著提高了PDS在电化学体系的传质速率。HCO3-和Cl-对PDS活化动力学的影响取决于它们的浓度,低浓度的HCO3-和Cl-会促进PDS活化,当HCO3-浓度>88 mg/L时,HCO3-对PDS的活化动力学有明显的抑制作用;Cl-离子有相似规律,当其浓度>158 mg/L时也会抑制PDS的活化。(4)应用flow-through膜式电化学活化体系,进行测试电化学活化PDS协同电催化高级氧化耦合技术对甲基橙(MO)和垃圾渗滤液的处理效率。MO实验结果表明添加少量的PDS能够有效促进MO的降解速率和矿化速率,添加5 m M PDS时总有机碳(TOC)去除率较单独电催化氧化要高出3.6倍。耦合技术对垃圾渗滤液处理实验结果表明添加PDS对TOC的去除效果较单独电催化氧化稍弱,但能够大幅提高NO3--N和TN的去除效率,经4h反应处理,单独电催化氧化对TN的去除率约为17.5%,其中NO3--N去除率仅为25.3%,而添加100 m M PDS时TN的去除率约为75.3%,且NO3--N去除率超过98%。可能的原因是PDS活化产生的H+使体系酸化,低p H能够促进NO3--N在阴极的还原。
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