铁基电混凝体系中无机铁砷配合物的电化学反应及其对三价砷去除的贡献

Excessive exploitation of groundwater causes a large amount of inorganic arsenic to remain in groundwater, seriously threatening ecological health and drinking water safety. As an efficient water treatment technology, electric coagulation technology is gradually applied to the treatment of arsenic-contaminated waters. However, previous studies have been limited to the mechanism that As(III) is oxidized by the active species generated in the electric Fenton reaction and As(V) is adsorbed by the iron hydroxide. But the complexation between Fe(II,III) and As(III,V) and its electrochemical reaction are still lacking in the study of arsenic oxidation removal. This project will prepare an iron-based electrocoagulation system to treat arsenic-containing wastewater by preparing iron-based electrodes with good activity, investigate the electrochemistry of the Fe(II,III)-As(III,V) complexes by a series of experiments including influence factors, characterization, species distribution simulation, active species analysis, simulation and actual water dynamic experiments. The project aims to reveal the electrochemical reaction mechanism of iron-arsenic complexes in iron-based electrocoagulation system and the contribution of complexation to arsenic oxidation removal. The results will provide the theoretical basis for the application of electrochemical environmental remediation technology.

过度开采地下水导致大量的无机砷残存在地下水中，严重威胁生态健康和饮用水安全。电混凝技术作为一种高效的水污染处理技术逐渐应用于砷污染水体的治理。然而，前人的研究多局限在电Fenton反应生成的活性物种氧化As(III)，铁氢氧化物吸附As(V)的机制，而关于Fe(II,III)与As(III,V)的配位过程及其电化学反应对砷氧化去除的相关研究依然匮乏。本项目将通过制备具有良好活性的铁基电极，构建铁基电混凝体系处理含砷废水，考察影响因素、表征含砷配合物、模拟砷和铁的形态分布、分析活性物种、结合模拟源水静态实验和实际源水动态实验等，系统地对铁与砷的配位过程及其电化学反应进行深入研究。本项目旨在揭示铁基电混凝体系中铁砷配合物电化学反应机理及配位反应对砷氧化去除的贡献，为电化学环境修复技术的实际应用提供理论基础。

作为一种兼具氧化和分离的水处理技术，铁基电混凝技术（FeEC）逐渐应用到无机砷（As）污染水体的深度修复中。前人研究仅局限在电化学反应产生的活性氧类物质等氧化剂对As(III)的氧化及铁氢氧化物吸附As(V)的机制上，尚不清楚电析出Fe(II)及其氧化产物Fe(III)与As(III,V)的配位反应对As(III)的氧化和As(V)吸附的重要性。本项目重点研究了FeEC/As(III)体系的配位化学过程与机制及其对As(III)氧化去除的贡献。研究结果表明：i）As(III)能与电析出Fe(II)及其氧化产物Fe(III)分别形成Fe(II)-As(III)和Fe(III)-As(III)配合物；ii）Fe(II)-As(III)和Fe(III)-As(III)配合物的形成是FeEC/As(III)体系中As(III)氧化的必要条件；iii）As(III)的氧化与HO•、1O2等活性氧类物种无关，而电析出Fe(II)催化分子氧形成的H2O2是关键的活性氧类物种，H2O2既能与Fe(II)-As(III)配合物反应生成中间产物Fe(IV)，Fe(IV)直接氧化As(III)为As(V)，H2O2也能通过氧原子转移直接氧化Fe(III)-As(III)配合物中的As(III)。本项目还研究了腐殖酸（HA）对FeEC/As(III)体系中As(III)氧化去除的影响。研究结果表明：HA对As(III)氧化去除的抑制作用主要归因于活性物种竞争效应和配位竞争效应，其抑制效果与HA的结构和浓度等有关。此外，本项目开展了亚硫酸盐（S(IV)）促进FeEC/As(III)体系中As(III)氧化去除的过程与机制研究，这部分内容是FeEC/As(III)体系研究的延伸。研究结果表明：i）S(IV)与电析出Fe(II)及其氧化产物Fe(III)形成配合物，并发生配合物分子内电子转移引发硫氧自由基链式反应，产生的SO4•−和HO•等自由基实现As(III)的快速氧化； ii）S(IV)改变As在铁氧化物的表面的配位过程，即双齿配位反应转变为单齿配位反应。本项目的研究结果揭示了FeEC/As(III)体系中As(III)氧化去除的过程与机制，补充了人们对FeEC体系中铁砷相互作用及其影响砷形态转化过程的认识，为As(III)污染水体的深度处理工艺开发提供了新的思路。