电化学技术处理甲基异噻唑啉酮的研究及其在反渗透浓水中的应用

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近年来,甲基异噻唑啉酮(MIT)杀菌剂被广泛应用于再生水处理反渗透过程中以抑制微生物的生长和繁殖。反渗透浓水(ROC)中浓缩富集的高浓度MIT排入环境后,会对自然环境和人类健康造成了巨大的威胁。电化学氧化法由于具有高效、绿色、无化学药剂投加等优点,成为氧化降解MIT的可行技术。因此,本文对电化学技术处理MIT及其在反渗透浓水中的应用做了系统研究。制备了Ti/SnO2-Sb2O3/α,β-PbO2电极,考察了其对MIT电化学氧化降解的性能。研究发现,电极的析氧电位为2.09 V(vs.NHE),产HO·能力较强。MIT氧化降解为假一级动力学反应,反应速率常数为1.62×10–322.12×10–3 min–1。电极对电子的利用率较高,68.8%的用于氧化MIT的电子可将MIT矿化为CO2。另外,当MIT浓度为100400 mg/L,电流密度为2.550 mA/cm2,去除率达到90%时,电化学法去除单位浓度MIT的能量消耗(EE/O)为1.043.5 kWh/m3,其EE/O在各工艺方法中相对较低,且无需投加化学药剂。利用Ti/SnO2-Sb2O3/α,β-PbO2电极对MIT进行氧化机理研究表明,提高电流密度可以增加HO·和H2O2的产量,增大氧化效率。电极的直接氧化与间接氧化在电化学氧化MIT的过程中分别占37.7%和62.3%,MIT的降解以HO·主导的间接氧化为主。电化学氧化MIT的降解路径与其他传统处理工艺不同,MIT分子上的碳碳双键被氧化断裂开环实现后续的氧化步骤。通过在SnO2-Sb电极中引入TiO2-NTs中间层制备新型的Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb电极,电极电化学氧化性能和稳定性得到显著提高。其氧化处理MIT的EE/O为0.7427.42 kWh m–3,低于Ti/SnO2-Sb2O3/α,β-PbO2电极。通过传质分析发现,提高流速、减小电极间距可增大传质系数、提高反应速率、减少能量消耗。传质有效性系数(θ)可评估电化学反应的传质阻力,在其他电化学反应中同样适用。考察了Ti/SnO2-Sb2O3/α,β-PbO2电极和Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb电极对实际ROC进行电化学氧化降解的处理能力,发现Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb电极对有机物的去除能力更强。经过1 h的处理,两种电极对ROC中MIT的去除率都可达到99%以上。Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb电极无重金属Pb溶出风险,具有一定的环境安全性。ROC中的氯离子可以参与电极反应生成活性氯,提高溶液中氯离子浓度可降低槽电压和电化学氧化的能量消耗,增强电极对COD的去除能力。
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