电芬顿体系氧化阴离子表面活性剂机理与特性研究

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阴离子表面活性剂作为洗衣废水中量较大且较难处理的污染物之一,直接排放会对水生生物有致畸和产生毒性的影响,对其进行有效处理越来越受到重视。目前,阴离子表面活性剂处理方法有吸附法、混凝法和生物降解法等,但这些方法分别存在着不同缺点,如氧化降解效率低、降解速率慢及处理不充分导致的二次污染等问题。故此开发经济高效且无二次污染的治理技术势在必行。电芬顿技术由于其具有对污染物氧化性强、污染物矿化程度高且无二次污染的优点,近年来被广泛应用于难降解污染物的处理。已有电芬顿技术处理水中典型阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的研究。然而,电芬顿体系内存在各种复杂的反应,导致氧化活性物质众多,尚不明确他们对SDBS的降解机理与特性。且电芬顿阴极材料成本高,电能利用效率低。故此明确电芬顿技术降解SDBS的机理,调控反应路径可大幅度提高电芬顿体系对SDBS的处理效果,采用更加经济的阴极材料,可以降低体系运行成本,提高氧化效率,实现高效氧化处理SDBS。采用实验方法探究了电芬顿体系内不同氧化活性物质及阳极氧化作用在处理SDBS中的机制,模拟分析了SDBS分子受活性物质攻击时的断键位置,并对断键后反应路径进行预测。明确了电芬顿体系对SDBS的降解特性,揭示了电芬顿体系降解SDBS的反应机理;研究不同条件下影响活性炭阴极H2O2积累能力的因素,探究活性炭阴极电芬顿体系氧化降解SDBS的效果;采用改性手段使活性炭表面引入含氧官能团,进而达到H2O2积累能力提高的目的,实现活性炭阴极吸附与电化学协同作用。首先,探究了电芬顿技术降解SDBS的反应机理,模拟探究SDBS分子受活性物质攻击时的断键位置,并对断键产物的氧化机理进行分析。结果表明,HO2·对SDBS氧化能力较弱;·OH是氧化SDBS的主要活性物质。·OH首先攻击SDBS分子中C3-C11键,使其断裂成两种典型物质:芳香族对羟基苯磺酸钠和脂肪族烷烃。选取苯酚和十二烷基硫酸钠(SDS)作为断键后的模拟污染物,研究其在电芬顿体系下的氧化机理。阴极室内氧化苯酚的活性物质是·OH,但氧化SDS的活性物质却是HO2·。阳极处生成的Pt(·OH)对SDBS没有去除效果,然而对断键产物却有良好的氧化效果。接着,选用价格低廉、化学性质稳定、无毒且催化活性高的活性炭材料作为电芬顿阴极。对活性炭阴极的H2O2积累能力和活性炭阴极电芬顿体系降解SDBS的影响因素进行探究。研究表明,当m AC=2.0 g、I=200 m A、p H=3时,60 min内活性炭阴极的H2O2积累量为8.44 mg·L-1。对活性炭阴极电芬顿体系降解SDBS的影响因素进行了探究实验,最佳反应条件为p H=3、T=20℃、I=200 m A和CFe2+=0.3 mmol·L-1,0.007mmol·L-1的SDBS的降解率为55.98%;0.004 mmol·L-1的SDBS的降解率为75.13%。最后,选择两种典型的氧化剂H2O2和KMn O4改性普通活性炭(HOAC和KMAC)使其表面引入含氧官能团。结果表明,改性后活性炭吸附性能都有所提升,特别是HOAC在3.5h内对SDBS的吸附率高达91.16%。p H值越低,越有利于HOAC吸附SDBS。当反应初始条件为p H=3、T=20℃、I=200 m A和CFe2+=0.3 mmol·L-1时,60 min内HOAC阴极电芬顿体系氧化降解0.007 mmol·L-1的SDBS去除率为85.76%,去除率提升了29.78%。而KMAC阴极电芬顿体系氧化降解SDBS去除率为62.84%,去除率仅提升了6.86%。当CSDBS=0.004 mmol·L-1时,40 min时HOAC阴极电芬顿体系实现了完全氧化降解SDBS,KMAC阴极电芬顿体系氧化SDBS去除率为88.54%,去除率提升了13.41%。改性活性炭阴极电芬顿体系实现了SDBS降解反应区域的合理控制,即在SDBS被吸附在活性炭阴极处附近,同时改性手段可以提高阴极材料O2传质扩散和二电子反应活性,最终达到在阴极处吸附污染物并原位降解的反应过程。本文明确了电芬顿氧化SDBS机理及活性炭阴极电芬顿体系氧化降解SDBS过程。研究结果可以实现阴极材料吸附和电极功能的高效一体化,突破电芬顿体系SDBS降解率低及电流效率低的双重瓶颈,为开发经济高效电芬顿降解SDBS技术提供理论基础。
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