基于二硅酸-铁(II,III)配合物的高级氧化-絮凝废水处理方法研究

It is important to develop cost-effective and technically feasible technologies to meet the challenges of wastewater treatment in China. Based on our recent findings, we propose a coupled process for the treatment of complicated wastewater, namely the combination of advanced oxidation and coagulation based on disilicate-ferrous/ferric iron complexes. In this coupled process, ferrous ions, which are possibly derived from ferrous salts, iron electrolysis and zero-valent iron, can complex with disilicate ions, resulting in the formation of dissolved disilicate-ferrous iron complex. Hydrogen peroxide can be added from outside, or in-situ generated by the activation of oxygen. Therefore, the degradation of organic pollutants can be achieved by the homogenous Fenton reaction at neutral pHs. Afterwards, soluble calcium compounds can be used to break the disilicate-iron complexes, producing precipitates that contribute to the removal of heavy metals in the wastewater. The research work will be focusing on complexation behavior of disilicates and the redox properties of their complexes, and the performances of the oxidizing systems including “disilicate-iron/H2O2” and “disilicate-ferrous/O2” (e. g., the removal of pollutants and influencing factors). Specifically, the research work will elucidate the regeneration mechanism of ferrous species, and seek for the manipulating routes for regeneration. Finally, developing engineering technologies based on disilicate complexes for the treatment of typical wastewaters will be performed. Compared to the previously reported organic, nitrogenous and phosphorous ligands, disilicate is a low-cost and redox-inactive agent that neither leads to secondary pollution nor consumes oxidizing radicals, but enables a coagulation process. Therefore, our research and outcomes will provide new thoughts and innovative technologies for addressing the wastewater treatment challenges.

寻求成本节约、技术可行的废水处理新技术，对于解决我国目前面临的废水处理难题具有重要意义。根据前期发现，申请人首次提出了基于二硅酸-铁(II,III)配合物的高级氧化-絮凝水处理新方法。通过亚铁盐、铁电解和零价铁等方式，形成二硅酸-亚铁配合物，再通过外加过氧化氢或者氧活化方式获得过氧化氢，从而实现中性条件下对废水的均相Fenton氧化。之后，加入溶解性钙化合物，对二硅酸-铁配合物进行解离和沉淀，产生的絮体进一步去除废水中的污染物。项目研究将明确二硅酸根的配合行为和铁配合物的氧化还原特性，进一步研究“二硅酸-铁/过氧化氢”、“二硅酸-亚铁/氧气”氧化系统去除典型污染物的规律和影响因素，探索亚铁的再生机制和调控方法，并进行典型废水处理的工程方法研究。二硅酸（钠）与传统的含碳、含氮、含磷的配体化合物相比，具有无二次污染、不消耗自由基、可絮凝除污等优点，项目成果将为工业废水处理提供新思路、新方法。

寻求成本节约、技术可行的废水处理技术，对于解决目前面临的废水处理难题具有重要意义。本项目提出了基于二硅酸-铁(II,III)配合物的高级氧化-絮凝水处理新方法，通过亚铁盐、铁电解和零价铁等方式，形成二硅酸-亚铁配合物，再通过外加H2O2或者氧活化方式获得H2O2，从而实现中性条件下对废水的均相Fenton氧化。课题研究主要围绕以下几个方面展开：1）二硅酸根对常见金属离子的配合能力和影响因素研究；2）二硅酸-铁(II,III)配合物电对的氧化还原转化规律和影响因素研究；3）二硅酸-铁(II,III)/H2O2 系统去除典型污染物的机制、规律和影响因素研究；4）二硅酸-亚铁/O2 系统去除典型污染物的规律和影响因素研究；5）二硅酸-钙（镁、锌）/氢氧化铁复合絮体的性质和污染物去除效应研究；6）基于二硅酸-铁(II,III)的高级氧化-絮凝过程处理实际废水工程方法研究。除此之外，还进行了部分以应用为导向的拓展研究，包括：7）硅酸盐辅助的铁/铝电氧化-絮凝过程对畜禽养殖废水中有机砷污染物的去除研究；8）近中性pH条件下高效异相电Fenton系统中O2的双途径活化及氧缺陷型钴铁氧催化剂催化作用研究；9）可溶性硅含氧阴离子的氢键作用增强g-C3N4对磺胺类抗生素的光降解研究；10）溶解性硅酸盐对高锰酸钾氧化降解酚类有机污染物的促进效果研究。项目取得了主要科学发现包括：1）首次确认并系统研究了可溶性硅对亚铁/铁离子配合能力；2）发现了可溶性硅-二价铁配合物的还原电位负移和活化氧分子的能力增强；3）发现了可溶性硅对零价铁/O2体系的氧化“促进”和“抑制”效应随浓度变化的规律；4）明确了可溶性硅对铁锰氧化物等的表面吸附、覆盖效应（成键或者氢键作用）；4）发展了多项基于可溶性硅-亚铁配合物的多项水处理技术。项目执行期内，发表SCI论文14篇，申请专利专利3项（授权2项）；培养完成博士研究生2名，硕士研究生3名，项目成果数量达到了申请预期目标；项目的科学发现，促使我们能够重新认识可溶性硅在水化学中的角色。