【摘 要】
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21世纪以来环境破坏日益严重,尤其是水资源短缺和水污染问题几乎困扰着世界上每个国家和地区。虽然目前饮用水处理厂的消毒工艺相对成熟,有多种饮用水消毒途径可供选择,但仍存在诸多问题。此外,人类还面临严重的能源危机。选择利用清洁、丰富的可再生能源解决水资源问题是一种有效途径。本文开展了太阳光电化学饮用水消毒的研究,具体研究如下:1、玻璃碳(RVC)电极电解原位生成H2O2显著强化太阳能水消毒(SODIS
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21世纪以来环境破坏日益严重,尤其是水资源短缺和水污染问题几乎困扰着世界上每个国家和地区。虽然目前饮用水处理厂的消毒工艺相对成熟,有多种饮用水消毒途径可供选择,但仍存在诸多问题。此外,人类还面临严重的能源危机。选择利用清洁、丰富的可再生能源解决水资源问题是一种有效途径。本文开展了太阳光电化学饮用水消毒的研究,具体研究如下:1、玻璃碳(RVC)电极电解原位生成H2O2显著强化太阳能水消毒(SODIS)过程,提高大肠杆菌灭活效率。将SODIS彻底灭活初始浓度为106 CFU/m L大肠杆菌所需处理时间从5 h减少到3 h,单位数量级细菌灭活所需的太阳能能耗由12105.26 Wh/m3降低到7263.05 Wh/m3,减少了40%,电能耗仅为148.78 Wh/m3。在此过程中,除了太阳光和H2O2,单线态氧发挥了重要作用。此外,研究发现当水温度从25℃升高到45℃时,处理时间从3 h减少到2.5 h;降低大肠杆菌初始浓度可以降低水处理时间;水体中不同浓度的腐殖酸(HA)对饮用水消毒具有截然不同的影响。其中1 mg/L HA可以显著强化饮用水消毒过程,而2 mg/L甚至更高浓度的HA会抑制消毒过程;虽然碳酸氢盐提高了H2O2累积浓度,但碳酸氢盐对ROS具有清除作用,从而抑制了消毒过程。2、阳极氧化处理RVC大幅提高电极表面的含氧官能团,从而提高H2O2累积浓度,实现饮用水消毒。通过对电极的表征发现,极化后电极表面相对粗糙并且其含氧官能团数量明显增多。H2O2浓度可以增加2~3倍。本部分以Ti/Ru O2为阳极,由于水处理过程中电流密度极低,阳极氧化的消毒作用可以忽略不计。因此,H2O2是导致大肠杆菌灭活的主要因素。研究表明:在16m A至32m A的电流范围内,增大电流可以提高H2O2的产量从而缩短消毒所需的时间,但会增大水处理能耗;提高温度有利于消毒过程,将温度从20℃升高到40℃,其所需处理时间从3.5 h减少到2.5 h,去除单位数量级大肠杆菌能耗从218.5 Wh/m3降低到123.2 Wh/m3;增大处理体积会增加消毒时间,但同时可以提高H2O2的生成效率、减少单位能耗。3、极化RVC电极原位产生H2O2与太阳光协同饮用水消毒。研究表明:在协同水处理过程中,消毒所需时间缩短至1.5 h,单位数量级大肠杆菌去除能耗降低至102.2 Wh/m3。当电流从15 m A增加到35 m A时,消毒时间从2.5 h减少到1.5 h,但是单位大肠杆菌去除能耗从51.5 Wh/m3增加到128.3 Wh/m3;低浓度(1 mg/L)的HA可以增强消毒效果,但是相对较高浓度(4 mg/L)的HA则抑制了消毒过程;在一定的温度范围内,较高的温度同样可以促进消毒过程。当温度从20°C升高到40°C时,单位数量级大肠杆菌去除能耗从102.2 Wh/m3降至64 Wh/m3。综合考虑耗电量和消毒时间,该系统适合使用25 m A的电流,低浓度的HA(1mg/L)和较高的处理水温(40°C)。因此,太阳光-电解原位产生H2O2饮用水消毒是一种低能耗、高效率的饮用水处理新途径。
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