放电等离子体耦合铁屑内电解-沉淀法去除水中重金属络合物的效应和机制

It is difficult to remove strongly stable heavy metal complexes from wastewater by conventional chemical precipitation process, and thus, to achieve the heavy metal complexes break is an important pathway to subsequently remove heavy metals by precipitation process. Based on the theories of organic pollutants removal by discharge plasma and heavy metal complexes abatement by interior microelectrolysis, discharge plasma is proposed to destroy the heavy metal complexes in wastewater, and a combined method (discharge plasma coupled with interior microelectrolysis, DPIM) is also developed to improve the efficacy of the heavy metal complexes break, and then heavy metal ions released during the heavy metal complexes break will be removed via precipitation process. The main contents of this project are to study the formation characteristics of active species capable of breaking the heavy metal complexes in the discharge plasma process, to explore the conditions of exciting interior microelectrolysis by discharge plasma, to study the efficacies of the heavy metal complexes break and heavy metals abatement in the DPIM process, and to discuss the roles of various active species in the heavy metal complexes removal process. It is expected to provide theoretical basis for breaking the heavy metal complexes by the DPIM process and to develop theories and methods of processing heavy metal complexes in wastewater.

传统沉淀处理工艺难以有效去除水中强稳定性的重金属络合物，实现重金属络合物的破络是后续沉淀工艺去除重金属的重要途径。本项目基于放电等离子体能高效降解水中有机污染物和铁屑内电解能实现重金属络合物破络的理论基础，采用放电等离子体技术对水中重金属络合物进行破络，利用放电等离子体诱发铁屑内电解反应促进重金属络合物的破络，并结合传统沉淀法去除破络后的重金属离子。研究放电等离子体产生的用于重金属络合物破络的活性物质的生成特性，探索放电等离子体诱导铁屑内电解发生的条件，查明放电等离子体-铁屑内电解联合作用下重金属络合物的破络规律及重金属离子的沉淀去除过程，探讨不同活性组分在重金属络合物去除过程中的作用本质。本研究以期为放电等离子体-铁屑内电解用于重金属络合物的破络奠定理论基础，丰富和发展络合态重金属处理的理论和方法。

经过三年的研究，本项目完成了计划书中的全部研究内容。同时，根据研究中发现的问题，将研究内容进行了有效扩展，增加了等离子体对典型络合剂的降解规律和其他类型高级氧化技术对重金属络合物的破络规律研究。在保证项目完成的前提下，体现了科学研究中发现新问题、解决问题的思路。本项目执行中重点解决的问题包括：放电等离子体各种理化效应与重金属络合物破络的相关性，放电等离子体诱导铁屑内电解的发生过程及影响因素，放电等离子体-铁屑内电解对重金属络合物破络的耦合作用机制。在本项目的资助下，以第一作者或通讯作者已发表SCI论文14篇，其中中科院大类一区8篇。与该主题相关的研究生毕业3人。授权实用新型专利1项。在国内学术会议上作报告11次，其中邀请报告3次。本研究的主要结果为：①明确了放电等离子体作用下放电电压、气体流速、溶液pH等因子对Cu-HA破络的影响规律；探明了•O2-、•OH、1O2、水合电子在Cu-HA破络过程中的作用；等离子体通过破坏Cu-HA络合物中Cu-O键、羧基和羟基官能团，实现其破络合。②探明了放电电压、Cu-EDTA初始浓度、溶液pH、络合物中Cu2+和EDTA浓度等因子对Cu-EDTA破络的影响；明确了水体中常见共存阴离子Cl-、CO32-、PO43-、SO42-对Cu-EDTA破络的影响范围。•O2-、•OH、1O2在Cu-EDTA破络过程中发挥重要作用。等离子体通过破坏Cu-EDTA中Cu-O和Cu-N键，实现其破络合，并伴随Cu(II)释放，该过程降低了其对发光细菌的毒性。③以铁粉含量和溶液pH为因子，明确了等离子体-铁屑联合作用对Cu-EDTA破络的协同作用。铁屑析出的Fe2+与H2O2发生类芬顿反应，促使H2O2的分解，产生了更多的羟基自由基，强化了Cu-EDTA的破络。同时，铁屑析出的Fe3+通过置换作用，促使Cu(II)从Cu-EDTA中释放。另外，Fe(OH)x的絮凝沉淀作用也强化了金属离子Cu的去除。④明确了放电电压、通气流量、溶液初始pH以及常见阴阳离子对络合剂HA降解的影响。通过ROS捕获、紫外-可见特征光谱、FTIR、三维荧光光谱等手段，阐明了等离子体降解HA的机制。本研究结果对丰富和发展废水中重金属络合物处理的理论与方法有重要的科学意义。