混合型电容去离子耦合电活化过硫酸盐去除水中有机污染物的机理探究

Electro-activation of persulfate is an effective approach to remove the organic pollutants in wastewater. To decrease the working voltage and improve the removal rate of organic pollutants of this approach, the combination of capacitive deionization (CDI) technology and electro-activation of persulfate, which can improve the activation efficiency of persulfate by taking advantage of the high adsorption capacity of the CDI electrode for persulfate, can be a solution. In particular, the coupling of hybrid capacitive deionization (HCDI) which is composed of a capacitive CDI anode and a faradaic anode of sodium-ion battery serving as CDI cathode with electro-activation of persulfate can further increase the adsorption capacity of persulfate, thus enhancing the activation efficiency. In this project, we will first combine the CDI with persulfate electro-activation and investigate the mechanism of persulfate activation and the coupling interaction between the electrosorption of organic pollutant and electro-activation of persulfate. By unveiling the mechanism of organic pollutant removal for CDI-coupled persulfate electro-activation technology, we will then integrate the HCDI with persulfate electro-activation and study the related mechanism of persulfate activation and organic pollutant removal. To achieve high removal rates of the aqueous organic pollutants, the relevant parameters of HCDI-coupled persulfate electro-activation technology will be optimized. The success of this project can drastically lower the cost of the current persulfate electro-activation method and provide a green and economic route for the treatment of organic pollutants in industrial wastewater.

电活化过硫酸盐是一种有效的去除水中有机污染物的方法。为了降低电活化方法的工作电压且提高去除效率，其与电容去离子技术（CDI）相结合是一种新的思路。由于CDI电极对过硫酸盐的高吸附容量，故吸附在电极表面的过硫酸盐能被有效地活化。尤其是用法拉第型的钠离子电池正极代替传统的CDI电容性阴极得到的混合型电容去离子技术（HCDI）与电活化过硫酸盐的耦合能进一步提高对过硫酸盐的吸附容量，从而增强活化效率。因此，本项目将首先把CDI与电活化过硫酸盐耦合在一起，详细研究过硫酸盐的活化机理和有机污染物的电吸附与过硫酸盐电活化之间的耦合作用机理，揭示有机污染物的去除机制。在此基础上，将HCDI与电活化过硫酸盐相耦合，通过研究相关的活化机理和有机污染物去除机制，优化技术参数，实现高效去除水中有机污染物。成功实施该项目可以大幅度削减电活化过硫酸盐方法的成本，为工业废水中有机污染物的治理提供一条绿色、经济的途径。

电活化过硫酸盐是一种有效的去除水中有机污染物的方法。为了降低电活化方法的工作电压且提高去除效率，其与电容去离子技术（CDI）相结合是一种新的思路。碳材料是一种常用的CDI电极材料，也是新型的过硫酸盐催化活化剂。因此，将碳材料作为CDI电极来活化过硫酸盐，利用碳活化和电活化之间的协同效应，能进一步提高过硫酸盐的活化效率和对有机污染物的去除效率。本项目的主要研究内容包括：（1）通过计算机模拟结合实验，探索碳催化剂非自由基活化过硫酸盐过程中主要活性位点的判定标准，在此基础上提出了非自由基活性氧物种的可能电子结构及相关化学特性；（2）制备多种碳材料电极，将其与石墨片电极组装成非对称式类CDI（AQCDI）模块，对比碳电极作为阴极和阳极时模块对不同过硫酸盐的活化效率和活化机理，通过实验结合计算机模拟探究正电场（阳极）和负电场（阴极）分别对碳材料活化过硫酸盐过程的影响；（3）将两片石墨烯电极组装成CDI模块，测试了其活化过硫酸盐去除双酚A的性能，并与AQCDI模块的性能对比，探究碳电极表面双电层对过硫酸根离子的吸附容量和有机污染物去除性能之间的关系。实验结果表明，碳电极表面的电双层对过硫酸盐的吸附性能提高了过硫酸盐活化效率和对有机污染物的去除效率，而相比碳阴极，碳阳极与过硫酸根阴离子之间的静电吸引作用更有利于过硫酸盐的活化。另外，由于碳电极表面双电层中的静电场强度非常高，该界面电场可以影响碳催化剂本身对过硫酸盐的活化路径，而不同极性的界面电场的影响机制不一样。另一方面，不同的碳材料对过硫酸盐的活化性能不同，它们与过硫酸盐之间的结合能也有所差异，这导致不同极性的界面静电场对不同的碳催化活化过硫酸盐机理的影响也不同。此外，相比于AQCDI模块，CDI模块能对有机污染物的去除效率更高，这是由于它的电双层对过硫酸盐的吸附容量更大，从而提高了电活化协同碳催化的活化效率。本项目的研究结果证实了碳电极表面的界面静电场能显著影响碳催化剂对过硫酸盐的活化过程，有望提供一种经济、绿色的去除有机污染物的途径和简便的调控催化反应的方法。