基于阴阳极协同的有机磷污染物资源化处理性能与机理研究

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有机磷农药是最常见的杀虫剂之一,在农林业中得到广泛使用。然而,有机磷农药生产废水直接或间接排放不可避免地引发严重的环境污染问题。另一方面,作为不可再生资源,磷矿石的全球储备量正逐年减少,未来可能会面临磷资源短缺危机。因而,利用诱导结晶技术将废水中的无机磷以羟基磷酸钙回收成为近些年的研究热点。但是,诱导结晶产羟基磷酸钙要求溶液为碱性,还需要额外的固液分离单元和后处理过程,故而在实际应用中仍存在局限性。此外,目前诱导结晶法仅能回收废水中的无机磷酸盐,而不能直接用于有机磷的资源化处理。因此,开发有效的策略实现有机磷农药废水的资源化处理已成为研究重点。在电化学高级氧化技术中,污染物在阳极表面可通过直接氧化或间接氧化被降解。同时,阴极电解水反应产生的OH-可在阴极表面营造局域强碱性氛围,可促进羟基磷灰石在阴极板上的沉积。因此,电化学高级氧化技术在有机磷废水的资源化处理领域有较大的发展前景。本论文建立了“阳极氧化-阴极沉淀”电化学系统对于在有机磷农药废水中同步实现污染物降解和无机磷回收。实验表明,有机磷污染物在阳极通过BDD电极释放羟基自由基介导间接氧化反应而被降解,氧化产物正磷酸盐在阴极与Ca2+和OH-共同沉淀,并以羟基磷酸钙的形式析出。电流密度增加有利于阳极释放羟基自由基,加快污染物降解反应,同时还能够强化阴极局域强碱性氛围,并促进Ca2+向阴极的电迁移活动。当电流密度从5 mA·cm-2增加到30 mA·cm-2时,180 min内乙酰甲胺磷降解率从77%提高到97%,磷的回收率从57%提高到92%。本体溶液的酸性条件可通过改善乙酰甲胺磷和BDD的电化学性质、促进氧化剂基团生成等途径有益于阳极氧化反应。溶液中共存的Mg2+和HCO3-均可于阴极表面沉淀析出,不仅抑制了磷的回收效率,还降低了羟基磷酸钙产品的纯度。溶液中共存的Cl-可通过消耗阳极附近的羟基自由基抑制有机磷的降解反应,但其存在并未影响羟基磷酸钙产品的沉淀质量。针对系统无法避免Mg2+和HCO3-影响磷回收质量的不足,经优化和调整建立了“阴极除镁除碱-阳极除碱氧化-阴极沉淀”的纵向连续流式双阴极电化学系统。通过监测前置阴极、阳极和后置阴极的出水溶液中水质指标的变化,考察了电流密度和进水流速对前置阴极、阳极和后置阴极除镁、除碱和回收磷的影响。前置阴极可有效去除溶液中的Mg2+,对溶液中的HCO3-存在一定的去除作用。阳极对HCO3-具有相对较强的去除能力,可使HCO3-转化H2CO3为并进一步分解为CO2气体。废水中的有机磷物质在阳极被氧化为正磷酸盐,随后在后置阴极处与Ca2+共沉淀而析出。高电流密度和低进水流速均有利于除镁、除碱和回收高纯磷酸钙的最终效果。在15 mA·cm-2的电流密度和0.1 mL·min-1的进水流速下,前置阴极可去除约16.8 mg·L-1 的 Mg2+浓度和 41.4 mg·L-1 的 HCO3-浓度,阳极可去除 70.2 mg·L-1 的 HCO3-浓度并将7.3 mg·L-1有机磷降解为正磷酸磷,而后置阴极则可将其中5.2 mg·L-1的磷回收。总的来说,本文提供了一种利用电化学阴阳极协同作用实现有机磷废水资源化处理的有效方法,实现了在单一处理过程中同时完成有机磷污染物的去除和磷酸盐的回收。因此,本论文的研究为完善传统水处理技术在有机磷废水资源化利用方面的不足提供了理论基础,为以后电化学阴阳极协同系统在废水处理领域得以广泛应用提供了技术支持。
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