活性阳极调控放电等离子体技术对水中砷的固定脱除机理研究

Hypertoxic arsenic species poses significant threat to the safety of natural water and human health, which is therefore listed as a priority pollutant. Thus, it is urgent to develop green and efficient techniques to immobilize the arsenic pollutant from the As(III)-bearing effluents. In view of the powerful oxidization capacity and environmental compatibility, a new active-anode regulating glow plasma system is proposed for As(III) oxidation and arsenic immobilization. In this process, a hybrid electrolysis and plasma generation process regulates Fenton reaction and flocculation precipitation reaction, which simultaneously oxidizes As(III) to As(V) and immobilizes arsenic species. This study reveals the physicochemical principles and scientific rules of hybrid electrolysis and plasma generation process in batch and continuous electrical discharge systems. Furthermore, according to the qualitative and quantitative determination of reactive species and analysis of precipitation product, synergistic reaction between Fenton reaction and iron-based flocculation precipitation will be intensively illustrated. Finally, a mathematical model as a function of multiple operation parameters will be proposed to provide a reference for regulating and controlling the treatment efficiency of electrical discharge system. Generally, the present research provides an innovative strategy for the remediation of As(III) pollutant and it is significative to scale up and design of electrical glow discharge process.

剧毒性砷被列为优先控制污染物，因此研发出绿色、高效除砷技术对于保障水环境安全和人类健康具有重要意义。鉴于辉光放电等离子体技术具有氧化能力强、环境可兼容等优点，本项目拟构建活性阳极调控辉光放电等离子体体系，该体系将等离子体生成过程与电极电解反应有机耦合，借助活性阳极电解产生的铁离子引发芬顿催化反应与絮凝沉淀反应以实现As(III)的氧化和砷的同步固定脱除。通过对间歇式/连续式辉光放电体系研究，揭示辉光放电等离子体与电极电解反应耦合过程所遵循的内在物理化学原理和科学规律。其次，对活性物种进行定性、定量诊断以及分析沉淀产物物理化学性质，据此解析芬顿催化反应与絮凝沉淀反应在砷固定脱除过程中的协同作用机制。最后，建立砷固定脱除效率与多操作参数之间的数学关系模型，以实现对辉光放电体系处理性能的有效调控。本项目的实施开辟了含砷废水处理新途径，并对辉光放电技术从实验室研究走向实际应用具有非常重要意义。

剧毒性砷被列为优先控制污染物，因此研发出绿色、高效除砷技术对于保障饮用水安全和人类健康具有重要意义。鉴于辉光放电技术具有氧化能力强、环境可兼容等优点，本项目构建了辉光放电阳极反应与Fenton反应耦合反应体系，该体系将等离子体生成过程与电极电解反应有机耦合，借助活性阳极电解产生的铁离子引发芬顿催化反应与絮凝沉淀反应以实现As(III)的同步氧化、固定脱除，该反应体系内产生的•OH和Fe(IV)是氧化As(III)的主要物种，砷主要以As(V)的形式与Fe(III)发生反应并以非晶砷酸铁的沉淀形式从水体中脱除。Fe(III)水解生成的氢氧化铁可通过共沉淀反应同样促进砷的固定脱除。此外，深刻认识电化学阴阳极反应机制，首次创建了全波整流交流电化学无氧氛围下原位除砷反应体系，巧妙设计具有不同电极界面反应的铁基材料和钛基 IrO2/Ta2O5 (MMO)材料协同产生Fe(II)离子和 O2，利用电场效应、倒极效应突破了反应离子低传质效率、电极钝化等局限，依托活性物种检测技术确定了强氧化性的 Fe(IV)为As(III)氧化的主要贡献因子。科学调控占空比显著提升了反应体系能效，处理500 μg/L As(III)地下水总能耗为0.11 KW•h/m3，去除效率达92%。针对传统电絮凝体系中牺牲电极与导线接头易腐蚀、电极易钝化、长期运行效率低等劣势，基于双极性电极反应机制，构建了一种可用于缺氧地下水砷原位修复的全波整流交流无线电化学除砷技术，采用铁基材料和MMO材料分别作为双极性电极和驱动电极，在电场驱动下，驱动电极阳极和双极性电极阳极分别产生O2和Fe(II)离子，利用倒极效应提高了双极性电极利用率，解决了传统电化学氧化絮凝体系劣势。系统地优化占空比和双极性电极数量，可显著提升电絮凝效率。去除效率达到98%时总能耗仅为0.11 KW•h/m3，其能效远远高于常规电絮凝体系。该研究拓宽了双极性电极体系的应用范围，为无线电絮凝体系在地下水修复领域的应用提供了技术支持。总之，本论文的研究为解决传统电化学体系在氧化固定脱除水中As(III)所遇到的问题提供了理论基础，为砷污染电化学修复技术得以广泛应用提供了技术支持。