碳毡阴极的吸附性能对电芬顿降解盐酸四环素影响的研究

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抗生素类的药物残留如今已成为全球最为严峻的环境问题之一,其对人类生存和健康,生态系统的平衡和健康都有巨大威胁。而电芬顿技术作为一种可以降解抗生素污染物的电化学高级氧化技术,由于氧化效率高、氧化性强、不产生二次污染等优点而受到广泛重视。而在电芬顿体系中阴极材料是决定降解效率的关键因素之一。开发、发展性能优异的阴极材料成为研究热点。而在开发与发展过程中,对阴极材料的吸附性能的影响一直研究较少。本研究为了探究阴极吸附作用对电芬顿体系降解污染物的影响,以碳毡为研究对象,采用KOH碱法活化的方法对碳毡进行改性,制备了吸附性能不同的四块碳毡。并且分别进行了表征、对抗生素四环素的吸附降解实验和矿化实验,最后还探究了目标污染物四环素的降解途径,以及处理后的碳毡对其他污染物的吸附降解效果。本研究的主要内容与结果如下:1.本文采用KOH活化方法,在不同的温度下制备出了吸附性能不同的四块碳毡:RCF,CF-700,CF-800,CF-900。初始浓度为80mg/L两小时后吸附去除率:CF-900为62.26%;CF-800为36.1%;CF-700为51.46%,RCF为7.54%。活化后吸附能力显著增强。进行形貌表征、氮吸附脱附实验、XPS和FTIR分析。结果表明:KOH活化后,碳毡的表面积从1.257m2/g增加到了15.583 m2/g;表面含氧官能团从RCF到CF-900,-OH和C=O的比例分别从3.65%上升到3.72%,从18.22%上升到19.92%。,并且氧与碳元素总比(O/C比值)由0.14增加到0.18。而对吸附数据进行模型拟合,结果表明整个吸附过程更加偏向化学吸附过程。2.在四环素TC电芬顿降解实验中,KOH活化后的CF具有更好的四环素TC降解性能。用一阶降解模型拟合,CF-900的k值达到了0.0648min-1,与RCF(0.0120 min-1)相比提高了将近5倍。同时,CF-700以0.0473 min-1获得的k值优于0.0401 min-1的CF-800。降解效率的顺序与吸附性能的顺序完全一致。这表明:吸附性能高的碳毡阴极能获得更高的电芬顿降解效率。在整个8 h电解过程中,RCF、CF-700、CF-800和CF-900的TOC去除率分别达到78.2%、77.8%、72.4%和83.9%。吸附能力好的碳毡有着更好的矿化表现,结合后面对苯酚的吸附降解实验,我们可以发现碳毡对四环素降解的中间产物也有很好的吸附降解效果,能够加速四环素的矿化。并且电流效率MCE在电解初期达到峰值,随着可氧化性的中间反应物的减少和难氧化不溶性副产物的生成,MCE值逐渐降低。同样随着电解时间的过去,各碳毡的电能消耗值EC逐渐增大。也反映矿化实验后期的小分子的中间产物更难降解一些。3.高效液相-质谱联用分析用来判断四环素的降解路径,结果表明四环素在强氧化性的羟基自由基攻击下,逐步开环,最后被矿化成水和二氧化碳。而在其他污染物的吸附降解实验中,吸附降解的协同作用同样明显,并且其降解效率对比为亚甲蓝>罗丹明b>甲基橙;苯酚>双酚A,降解效率和其分子结构密切相关,分子结构对称而且稳定的更难降解。
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