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掺硼金刚石膜(Boron-doped Diamond,BDD)电极电化学体系具有背景电流低、析氧电势高、氧化能力强等优异的物理化学性能,因而其在难降解有机物的处理、消毒以及电化学检测器等领域都得到了很多的关注。本论文以BDD电极为研究对象,探讨了该体系中难降解有机物邻苯二甲酸酯的降解机制、电化学消毒的过程机理以及有机物对电化学消毒(无Cl-和含Cl-)的影响等方面的内容。 首先,以支链长度不同的八种邻苯二甲酸酯为处理对象,研究了BDD电极电化学氧化难降解有机物的机理。在BDD电极体系中电解480 min后八种邻苯二甲酸酯全部被降解,明显快于Pt电极上的降解速率。同时,在BDD电极体系中,物质的降解速率常数(k)随着支链长度的增加而减小,而在Pt电极上的规律相反。选取分子连接指数、量子化学参数等进行多因素分析拟合的结果表明,在BDD电极上k与电子能量成正相关,在Pt电极上与分子量正相关。上述结果表明,在BDD体系中自由态羟基自由基的亲电反应是主要过程,因而氧化能力强于以吸附态羟基自由基为主的Pt电极体系。氧化机理的不同使得两种电极体系中间产物的种类也有差异。 其次,以大肠杆菌(Escherichia coli,简称E.coli)、金黄色葡萄球菌(Staphyloccocus aureus,简称S.aureus)、枯草芽孢杆菌(Bacillus Subtilis,简称BST)以及一株分离出的芽孢杆菌(Bacillus)为指示性微生物研究了BDD电极电化学消毒。实验结果表明,BDD电极体系的消毒效果随电流密度、Na2SO4浓度的增加而加强。当加入羟基自由基捕获剂后,0.2 M Na2SO4体系中E.coli的log失活率从1.39降到了0.37(10 min);使用不同的电解质电解60 min后,Na2S04体系的消毒效果(5.62 log)要明显好于以NaH2PO4(0.25 log)和NaNO3(0.88 log)为电解质的体系。这表明羟基自由基是发挥作用的主要物种,同时由SO42-电解产生的活性物质(如S2O82-)对消毒也有效。以4-log的E.coli失活率为标准,直接加氯、一氯胺、臭氧和电化学在各自最佳条件下消毒所需的CT值(消毒剂浓度C×时间T)分别为60、67.5、30和5.5 mg min L-1。在前三种消毒方式中,枯草芽孢杆菌和分离芽孢杆菌的失活远慢于E.coli和金黄色葡萄球菌;而在BDD电化学体系中四种微生物在40min内就都被完全灭活。结果表明,BDD电化学体系优异的消毒效果源于其中羟基自由基的强氧化性,由SO42-电解产生的活性物质(如S2O82-)也发挥着一定的作用。 再次,以邻苯二甲酸酯、酚类物质为特征有机物,考察了其对无Cl-的BDD电化学消毒的影响。有机物的存在减弱了消毒的效果,如E.coli单独存在时,电解40 min后的log失活率为5.78,加入邻苯二甲酸二甲酯之后,log失活率仅为3;共存体系中有机物的降解也会因竞争反应而受到影响。此外,还考察了初始有机物浓度、pH以及腐殖酸等因素对有机物与微生物共存体系的影响。研究表明,在有机物存在的情况下,无Cl-的BDD电化学消毒效果减弱,在自由态羟基自由基的作用下有机物能够被完全矿化,没有副产物的生成。 最后,以NaCl为电解质探讨了含Cl-体系中BDD电极电化学消毒及共存有机物的影响。以10、17、34 mM的NaCl和Na2SO4分别为电解质,实验结果表明含Cl-的BDD电极电化学体系在消毒效果和有机物降解方面都优于无Cl-体系。在间苯二酚存在的情况下,随着BDD电化学体系中有效氯(HClO、ClO-、Cl2)浓度在1.5 h达到最大值(2.25 mM),相应的三氯甲烷、氯酸根和高氯酸根分别在2 h、4 h、10 h达到最大值,其中三氯甲烷(0.01 mM)远低于含有相同活性氯的直接加氯消毒的产量(0.30 mM)。因此,含Cl-的BDD电化学体系具有更好的消毒效果,三氯甲烷产量低。有机物浓度、Cl-的浓度、pH以及有机物的种类对消毒副产物有显著的影响。 本文的研究证明,基于BDD电极的电化学体系可以有效地处理难降解有机物(邻苯二甲酸酯),其消毒有效性也远高于常规技术,有机物对BDD电化学消毒体系的影响和机理研究为其实际应用提供了理论依据。