双阳极调控负载型铁（氢）氧化物的原位生长及其对地下水中砷的去除机理

For the removal of arsenic from groundwater, this project proposes a novel dual anode electrochemcal process. By adjusting the current partitioned by the two anodes, As(III) can be directly or indirectly oxided to As(V) by the first inert anode, and ferrous iron produced from iron anode will grow on supporting materials forming iron (hydr)oxides, thereby adsorbing and removing As from groundwater. Meanwhile, byproducts of chlorinated organics can be dechlorinated at Pd-supported cathode. The main contents to be investigated include: (1) the kinetics and mechanism of As(III) oxidation at inert anode, and the indirect oxidation by chloride, manganese and humic substance intrinsically contained in groundwater; (2) the growth of iron (hydr)oxides in supporting materials under various electrochemical parameters and groundwater chemistry, and the mechanism of As adsorption during iron (hydr)oxide growth; and (3) the production of chlorinated organics during As(III) oxidation at anode in the presence of chloride, and the dechlorination of these chlorinate organics at Pd-supported cathode. This study will provide a new process for remediating As-contaminated groundwater improving the performance of convential electrochemical process and electro-coagulation and contributing to the therory of electrochemical remediation.

本研究针对地下水中砷的去除，提出了一种新型的双阳极电化学处理技术。通过调控电流在双阳极中的分配，使砷（III）先在惰性阳极上直接或间接氧化为砷（V），利用第二个铁阳极溶解出的Fe(II)在载体上原位生长为铁（氢）氧化物，达到吸附和去除地下水中砷的效果，同时使用载Pd阴极保证氯代副产物的去除。主要研究内容包括：（1）砷(III)在惰性阳极上的直接氧化动力学过程和机理，以及地下水中氯离子、二价锰离子和腐殖质等对砷(III)的间接氧化作用；（2）不同电化学参数和地下水组成下双阳极体系中铁阳极溶解出的Fe(II)在载体上原位生长为铁（氢）氧化物的机理，以及生长过程对砷的吸附效果和机理；（3）氯离子存在下阳极氧化过程中氯代副产物的产生及其在载Pd阴极上的还原脱氯。本研究将提供一种新的砷污染地下水修复技术，并对传统电化学和电絮凝修复技术改进和理论完善都具有积极意义。

高砷地下水是一个世界性的环境地质问题，使全球超过1亿人、我国近2000万人的用水安全受到威胁，因此高砷地下水净化对于水质安全保障具有重要意义。Fe2+被氧气氧化时可产生活性氧化物种将三价砷氧化，同时生成的三价铁沉淀物可将总砷吸附去除，因此基于Fe2+氧化原理的方法成为除砷的主要方法之一。但是地下水中固有的Fe2+浓度较低，氧化时不足以去除砷。使用铁阳极补充Fe2+的电絮凝法被广泛用于高砷地下水的处理，但过程中三价砷的氧化效率受空气溶解步骤限制，而且处理过程无法原位实施。为此，我们提出了含铁双阳极去除地下水中砷的构想：使用铁阳极向地下水中提供Fe2+，同时使用惰性阳极向地下水中提供O2，Fe2+与O2反应诱导三价砷氧化和总砷吸附去除。该过程的除砷效率可通过电流定量调节，实施方式既可异位也可原位。.围绕该构想开展的主要研究和得到的主要结论有：①可行性论证和除砷机理。首先在实验室构建了含铁双阳极静态体系，发现Fe2+与O2的产生速率均可通过调节双阳极上的电流来控制，当固定铁阳极电流时，Fe2+氧化、三价砷氧化和总砷去除都与惰性阳极电流线性相关。500μg/L三价砷在30min被Fe2+与O2反应产生的活性氧化中间体完全氧化，同时产生的五价砷被三价铁沉淀物吸附去除。进而在含铁双阳极砂柱动态体系中进一步验证了技术的可行性，并考察了地下水共存组分的影响。②阴极氧化新机理。发现在电化学除砷体系中，阳极产生的氧气在阴极被还原为过氧化氢，在阴极附近自动产生的局部碱性条件下引起三价砷的氧化。③江汉平原高砷地下水处理试验。针对江汉平原以地下水为水源的高砷问题，构建了铁阳极强化砂滤除砷装置，在江汉平原高砷区某农户家中开展了4个月的试验，地下水中约300μg/L砷可被稳定的去除到饮用水标准10μg/L以下，电耗为0.33 kWh•m-3，铁的消耗成本为0.07 kg•m-3。进而针对23米高砷地下水，开展了电化学产氧诱导二价铁氧化原位除砷的七井试验，总砷去除率最高可达60%以上。.以上成果的科学意义在于，揭示了Fe2+与O2反应除砷对两者比例的定量依赖关系，发现了阴极导致的砷氧化机理，提出的双阳极除砷构想为改进电絮凝技术提供了新启示，也为高砷地下水处理提供了新的方法选择。相关成果负责人以第一/通讯作者在国际SCI刊物发表论文6篇，其中4篇ES&T，以第一发明人被授权发明专利3项。