膜式电化学氧化系统的构建及其对诺氟沙星的降解研究

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电化学氧化技术由于具有反应条件温和、氧化能力强、操作简单、环境适应性强等优点,已成为一种极具前景的难降解有机污水处理技术。然而,平行板电极反应系统由于传质效率非常有限,致使传统电化学污水处理体系存在污水停留时间长、设备投资成本高、系统电流效率低下和能耗高等缺点。因此,采取措施有效改善电化学氧化系统的传质速率对电化学氧化技术的规模化应用至关重要。本论文以制备的管状Ti/SnO2-Sb/PbO2膜式电极为核心构建膜式电化学氧化系统,通过最大限度压缩扩散层厚度,有效提高污染物从水相向电极表面的扩散效率,实现了对水中诺氟沙星的快速、高效的降解。得到的主要结论如下:(1)制备的管状Ti/SnO2-Sb/PbO2膜式电极表现出优异的渗透性能、电化学性能及氧化性能:(1)电极孔结构发达,平均孔径为30.2μm,渗透通量高达51.72 m3 m-2 h-1 bar-1;(2)电化学氧化性能优越,电极加速寿命高达888 h,折合实际使用寿命253.42年(电流密度10 mA cm-2);且具有巨大的电化学活性面积,电化学孔隙率和粗糙度高达88.4%和4408.3;和(3)电极氧化性能强,相同实验条件下对诺氟沙星(Norfloxacin,NOR)的降解速率是管状Ti/SnO2-Sb膜式电极(0.130 min-1)的2.27倍。(2)以管状Ti/SnO2-Sb/PbO2膜式电极为核心构建的膜式电化学氧化系统,在Flow-through模式表现出高传质性能和强氧化性能。传质速率常数kobs高达1.92×10-4 m s-1,较传统的平行板电极系统(10-510-6 m s-1),提高12个数量级;对NOR降解速率常数和氧化通量分别为同实验条件下传统Flow-by模式的15.53倍和15.73倍。(3)膜式电化学氧化系统实现了对NOR高效、快速的降解,在最优实验条件下,50 mg L-1 NOR溶液(2.5 L)在10 min内几乎完全降解,降解过程符合准一级动力学,降解速率高达0.407 min-1。采用高分辨质谱对NOR降解产物进行分析,分析的降解产物主要有C16H16O5N3F,C15H16O4N3F,C14H16O3N3F,C13H11O4N2F,C12H11O3N2F,C16H19O4N3,C16H19O6N3,C15H19O5N3和C14H19O4N3等,基于降解产物提出了两条降解途径,分别为哌嗪环和喹诺酮环的开环反应途径。并且膜式电化学氧化系统对NOR的降解具有稳定、无环境风险及能耗低的特点。
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