电化学耦合氧化系统去除水体中有机污染物的机理研究

A combined electrochemical oxidation system has been contrasted in the present study to remove organic pollutants from surface water efficiently. In this system, Boron-doped Diamond (BDD) electrode is used as anode with electro-fenton system used as cathode. Oxidation mechanism of PAEs is investigated systematically though degradation pathway. Active position of PAEs during degradation is conformed both though quantity chemical calculation and intermediates detection. At the same time, energy consumption during reaction is calculated and power supplied into the system will be exactly equal to the energy demanded by exponentially decay current mode. Since the electrochemical oxidation system constructed in the present study was not only efficient but also economic which showed great potential for widely application of electrochemical oxidation method for organic pollutants treatment.

电化学耦合氧化系统将阳极氧化与阴极电Fenton技术相结合，在阳极表面生成氧化剂的同时，阴极可以原位生成Fe2+和H2O2构成Fenton试剂，实现污染物的高效去除，是改善有机污染水体水质的经济高效的水处理技术。研究拟选取水环境中普遍存在的邻苯二甲酸酯（Phthalic Acid Esters, PEAs）作为模式化合物，研究电化学耦合氧化系统对有机污染物去除效果和降解机理，并揭示系统的氧化作用机制和节能机制。通过PAEs在不同条件下的去除效果分析，揭示电化学耦合氧化系统各个操作条件影响机制；检测PAEs的降解中间产物，并利用量子化学方法计算PAEs分子的反应活性位点，揭示系统对污染物的氧化去除机理；根据PAEs降解规律研究其去除所需电量，利用新型供电模式保证反应全过程供给系统的电量与所需电量相符，探索了系统节能降耗机理，为利用电化学耦合氧化系统改善有机污染的水体水质提供理论依据。

本研究构建了一个新型的电化学氧化系统处理生物难降解有机污染物。该系统以掺硼金刚石膜（Boron-doped Diamond, BDD）为阳极，碳毡（Carbon Filber, CF）电极为阴极，中间插入感应铁电极（Sensing Electrode of Iron, FeS）强化氧化效果。以对硝基苯酚（p-nitrophenol, PNP）作为模式污染物进行研究。研究表明，污染物在系统中的降解均符合拟一级动力学规律，表明降解过程主要受到传质控制。在pH值3到11的范围内，BDD-FeS-CF系统对于PNP的降解速率相较于BDD阳极，不锈钢（Stainless Steel, SS）系统（BDD-SS）快5倍。在酸性条件下，两个系统相比较COD的降级率可以从36%提升到90%左右，这一提升主要是由于酸性条件下从感应电极上析出的Fe2+与碳毡阴极表面生产的H2O2发生的芬顿反应形成。在碱性条件下，感应电极系统的污染物降解效果依旧非常明显，这主要是因为从感应电极表面析出的Fe2+在碱性条件下形成絮体，通过絮体的絮凝作用可以有效去除系统中的污染物。与此同时，本研究对于铁离子在系统的析出速率进行了分析，在酸性条件下，铁离子的析出主要受溶液pH值和电场强度的影响，溶液中的H+得电子生产氢气，铁失电子成为Fe2+析出。在碱性条件下，氧气得电子成为OH-，铁失电子进入溶液系统中成为絮体。因此，该系统相较于以往的电芬顿系统具有极大的优势，价格低廉，并且可以在广泛的pH条件下发挥优异的作用，具有极强的应用价值。利用该系统用于垃圾渗滤液生化出水的深度处理研究，替代目前常用的膜处理技术，克服膜处理技术浓水难降解的问题。利用 Box-Behnken (BBD)模型的响应曲面法（response surface methodology, RSM），考察电流密度、电解时间、pH 值对出水COD及氨氮去除率的交互作用影响，并建立相关数学模型。结果表明，影响因子显著性顺序依次为：电解时间＞电流密度＞ pH 值，模型回归性好，预测最大COD去除率为79.46%，氨氮去除率为97.82%，最佳试验条件为：电流密度0.1 A·cm-2，电解时间8.86 h，pH 10.86，实测结果为COD去除率78.03%，氨氮去除率为94.16%。