聚偏氟乙烯衍生多孔碳电极制备及其电芬顿去除水中抗生素和抗性菌性能

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电芬顿(electro-Fenton,EF)因其能够原位产生H2O2并将其活化为羟基自由基(·OH),且具有绿色、可控和高效等优点,近年来已成为一种高效降解水中有机污染物的新兴技术。然而,EF中阴极材料明显影响电子ORR反应活性和过氧化氢的生成量,因此如何能高效、绿色的产生H2O2并活化为·OH,也成为电化学方向研究的重点。本研究通过直接碳化聚偏氟乙烯(PVDF),制备了一种能同时生成和活化H2O2的非金属双功能催化剂即O、F自掺杂的PVDF衍生多孔碳(PPCs),并将其作为EF阴极去除水中抗生素和抗性菌。主要研究结论如下:通过对碳化温度的改变,阐明了PPCs的形貌结构和化学组成的演变,得到了在600℃下比表面积较高,介孔结构发达并且具有掺杂O、F元素最佳比例,在电化学生成H2O2和活化方面也有着优异电催化性能的PPC电极。因此,构建以PPC-6为阴极,磺胺甲基嘧啶(SMR)和四环素(TC)为污染物的电芬顿体系,在最佳去除条件电流密度为18m A/cm~2,p H=3时对两种抗生素都有良好的去除效果。即使在循环5次试验后,对SMR依然能达到83%的去除效果。通过QSAR和ESR分析表明,材料中掺杂的氧官能团对H2O2的生成有重要贡献,电负性较高的半离子C-F键是H2O2活化为·OH的原因,而通过电催化氧化生成的·OH是非金属EF过程中降解污染物的主要途径。通过对PPC-6阴极电芬顿去除抗性菌的最佳影响因素的探究,发现在最佳电流密度为2.25 m A/cm~2,p H=5,气水比10:1,电导率8000μs/cm时的消毒效果最好,40 min可以达到5 log。通过不同运行方式的比较,发现在动态连续流动的装置下,6 h后的消毒效果明显降低。而在经过电化学消毒40 min后,发现了溶液中残余的活性氧可以抑制抗性菌的修复水平,加入PPC电极后的抑制效果更明显。建立接合转移和转化体系的结果表明,电化学消毒40 min后的水样基本没有转移和转化现象,大大降低了抗性菌的传播风险。本研究为非金属EF工艺废水处理中双功能碳催化剂的制备和优化提供参考,为解决抗生素及其衍生环境风险提供技术指导。
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