高级氧化过程中高毒性中间氧化产物的电助吸附高效去除调控机制研究

Benzoquinone, hydroquinone and catechol were proved to be generated during oxidation of aromatic pollutants by advanced oxidation processes (AOPs), and sometimes their accumulation was also observed. The toxicity of these oxidation intermediates amounts to 2 or 3 orders of the parental pollutants. Their effect on the evolution of water quality is expected to be unnegligible. In order to assist the application of AOPs, these oxidation intermediates are subjected to adsorption and electrochemically assisted adsorption (EAA) for selective and effective removal. Carbonaceous and natural bio-material will be screened for the selectivity modification, and used for the adsorption and EAD removal of oxidation intermediates produced in electrocatalytic oxidation, photocatalytic oxidation and photoelectrocatalytic oxidation processes. The adsorption efficiency is expected to be enhanced by methods such as grafting of functional groups, and the water toxicity could be reduced accordingly. Zebrafish acute toxicity tests will be conducted to evaluate the toxicity evolution for the three AOPs. The necessity and practicability of the integrity of AOPs and adsorption/EAA processes will also be evaluated. This research focused on the integrity of AOPs and adsorption/EAD processes, which is originated from the practical issues and is expected to lead to an engineering application in the very near future.

芳香类有机污染物经高级氧化过程处理后会产生苯醌、对苯二酚和儿茶酚等高毒性中间氧化产物，有时候甚至会出现累积的现象。这类物质的毒性可达到原始污染物的二到三个数量级，对水质所产生的影响不容忽视。本研究拟选用吸附材料和电助吸附电极材料对高毒性中间氧化产物进行选择性高效吸附去除，以弥补高级氧化过程的不足。使用碳质材料或天然生物质材料进行吸附选择性筛选和选择性改性，用于高效吸附和电助吸附去除电催化氧化过程、光催化氧化过程和光电催化氧化过程所产生的高毒性中间氧化产物。通过吸附材料表面官能团改性等手段和发挥外加电场的作用，调控吸附去除效率，降低出水的毒性。进行斑马鱼急性毒性测试，评价各反应体系的毒性变化，探讨高级氧化过程与吸附过程匹配保证水质安全的必要性和可行性。该项研究集成了两种水处理工艺过程，从实际问题出发，具有较强的工程应用前景。

目前高级氧化技术被广泛应用于水和废水中有机污染物的氧化降解，在高级氧化过程中一般会累积一系列的中间氧化产物，其毒性毒性可达到苯酚毒性的2到3个数量级。因此，仍然有必要在后续处理过程中有效去除中间氧化产物。本项目具体主要从以下几个方面开展了研究并取得了有价值的研究成果：.(1)高级氧化处理出水的急性生物毒性研究、处置和评价.使用活性炭纤维对电化学氧化酸性橙Ⅱ过程产生的高毒性中间氧化产物进行吸附去除和毒性脱除。研究发现，环状中间产物的积累伴随着的染料浓度的急剧下降，达到最大浓度后因氧化降解而浓度降低。活性炭纤维对环状中间产物的吸附去除率随氧化时间增长而下降，表明实际应用中初级氧化即可。采用海洋发光细菌vibrio fischeri进行毒性测试试验，表明吸附可有效去除中间氧化产物，是电化学氧化处理工艺不可或缺的后处理环节。.(2)外加电场、磁场对吸附过程的促进作用.使用600℃热解的玉米秸秆生物炭三维电极吸附去除四环素或头孢拉定等有机污染物，研究发现外加1.5 V电场可显著提高对头孢拉定的去除效率。同时，可通过调整电场、磁场强度或方向的方法来实现有机污染物的脱附，实现吸附剂的再生和再利用。此外，在磁场照射下用小麦秸秆生物炭吸附去除亚甲基兰，有无、外加磁场时对亚甲基兰的最大吸附量分别达到了62.5和46.6mg/g，表明在外部磁场的协助下，小麦秸秆生物炭可以实现污染物的更加高效的吸附。.(3)甘蔗渣、各类秸秆和海藻等生物质、生物炭对中间氧化产物的吸附去除行为.研究表明，成本低廉的甘蔗渣、玉米秸秆、小麦秸秆和海藻等生物质及相应的生物炭，无论表面改性与否，均对高级氧化的中间氧化产物表现除了优异的吸附性能，极有可能用于实际的生物质和生物炭吸附和电助吸附去除。.(4)吸附和电助吸附材料的再生和高效使用.以甘蔗渣生物炭为超声催化材料，研究表明，热解温度为600℃制备的甘蔗渣生物炭具备优异的超声催化性能，这与我们在吸附过程所用的最佳生物炭制备温度一致，表明超声催化氧化过程有可能用于吸附后生物炭的再生和净化再利用。