亚氧化钛膜式电极对再生水中双氯芬酸降解研究

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近年来,我国大力倡导污水资源化,但在再生水利用的过程中,会导致大量药品以及个人护理品(PPCPs)随着再生水进入到相应的场景中。因此,需要一种高效技术对再生水进行深度处理。然而,传统的处理技术并不适用于再生水的处理。电催化氧化技术是一种具有发展前景的高级氧化技术,其中,电化学降解过程中的高效传质是提高污染物去除效率的关键。本文以亚氧化钛膜式电极为核心,构建电催化氧化体系强化电化学传质过程,对水中双氯芬酸(DCF)进行降解研究,以期为亚氧化钛膜式电极降解再生水中PPCPs类有机污染物的应用提供技术理论支撑。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对不同孔径亚氧化钛膜式进行了表征,结果表明平均孔径为5μm的电极孔隙结构更为丰富,晶相组成主要为Ti4O7。电化学测试表明亚氧化钛表面主要是间接电化学氧化反应,孔径对亚氧化钛膜式的反应类型无影响,平均孔径为5μm的电极具有更大的电化学活性表面积和更多的活性位点数量。通过对传质性能进行分析,孔径和渗透通量均会影响电催化氧化系统的传质性能,孔径提高了传质效果;在一定渗透通量范围内,渗透通量的增加也会通过增强溶质的对流扩散来提高传质速率常数。以三种不同孔径电极对比了双氯芬酸模拟废水降解效能,结果表明在相同条件下,120 min内双氯芬酸降解率顺序为:5μm(88.83%)>30μm(82.98%)>100μm(75.99%),降解过程均符合一级反应动力学模型,反应速率常数大小顺序为:k5um(1.91×10-2min-1)>k30μm(1.48×10-2min-1)>k100μm(1.00×10-2min-1),降解率和反应速率常数随着孔径的增加而减小。当膜通量增大25.17 m L·cm-2·min-1后,传质作用对降解的影响减小,不同平均孔径的亚氧化钛膜式电极对双氯芬酸降解率和反应速率常数的差异减小。不同实验条件会对双氯芬酸的降解产生影响,通过单因素实验利用响应面优化法进行分析,获得最佳实验条件为电流密度18.40 m A·cm-2、p H为6.25、电解质浓度为0.06mol·L-1。在最佳实验条件下进行实验,得到k值为5.86×10-2min-1,120 min后去除率可达到99.47%。在不同电解质体系中取得不同的降解效果,降解效果Na Cl>Na2SO4>Na NO3;不同电解质体系中其主要作用活性自由基的种类不同;测得的羟基自由基平均生成速率为6.983μmol·L-1·min-1。对亚氧化钛膜电极降解过程中的中间产物和降解路径进行分析,结果分许存在8种中间产物,基于中间产物提出3条降解路径,分别为双氯芬酸分子上的苯环羟基化,然后氧化脱氯;苯环上烷基链脱羧,之后开环脱氯氧化;双氯芬酸分子脱氯和进一步的分子内反应,苯环与SO4·-反应,从而进一步氧化降解。产生的中间产物继续转化成小分子有机酸和小分子醇,实现了对双氯芬酸的无害化处理。
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