水体中腐殖酸与Cr(VI)复合污染物的相互作用机制及其电化学协同去除机理研究

The interaction of organic-heavy metal composite pollutant in aquatic systems and their geochemical cycle as well as the effective removal methods for this type of pollutant are key concerns in the water remediation field. The widespread presence humic acid and Cr(VI) in water is a serious threat to human health and environment. Therefore, this study focus on the humic acid and Cr(VI), and try to investigate the interaction principles of these two pollutants and develop a novel electro-Fenton method for effective removal of this composite pollutant. The main research contents including: (1) reveal the interaction principles of humic acid and Cr(VI), through which investigate the dynamic agglomeration behavior of humic acid in the presence of Cr(VI) in the aquatic system and uncover the principles behind, and indicate the sorption-complexation-reduction processes of Cr(VI) by humic acid and the mechanisms; (2) develop a novel electro-Fenton method for simultaneous removal of humic acid and Cr(VI), where H2O2 was in-situ produced from the electro-generated H2 and O2 on the Pd-based nanocatalyst surface and Fe2+ was provided either from the support or by purposely added, and try to investigate the formation and evolution of reactive substances in the system and further indicate the removal mechanisms for humic acid and Cr(VI); (3) investigate the removal of humic acid and Cr(VI) under complex environment conditions (drinking water sources) by electro-Fenton method, and indicate the key factors in determining the removal efficiency. This work may provide a new insight for better understanding the geochemical behaviors of humic acid and Cr(VI) and their migration mechanisms in aquatic systems, and report an efficient elimination of composite pollutant in water.

水体中复合污染物的相互作用机制及其地球化学循环过程，与发展去除复合污染物的有效方法是当前水环境领域的关键科学技术问题。本课题以水体中常见的腐殖酸与六价铬为研究对象，研究复合污染物的形成原理与机制，开发同步去除腐殖酸与六价铬的新型电-Fenton技术。主要研究内容包括：（1）腐殖酸与六价铬的相互作用研究，考察腐殖酸在铬溶液中的动态凝聚行为及机制，揭示铬在腐殖酸表面的吸附-络合-还原过程及机理；（2）同步去除腐殖酸与六价铬的新型电-Fenton技术及机理研究，通过联合纳米催化与电化学技术原位高效生成双氧水，考察体系中活性物质的生成及演化规律，揭示腐殖酸与六价铬去除的内在机理；（3）复杂环境下电-Fenton同步去除腐殖酸与六价铬的研究，明确环境因素对电-Fenton去除污染物过程的影响机制。该研究有望为阐明腐殖酸与铬复合污染物的地球化学行为及迁移扩散机制、缓解水体复合污染提供理论技术支撑。

本项目以水体中常见的腐殖酸、六价铬、有机氯化物为研究对象，系统探讨了复合污染物间的相互作用机制，开发了4种能有效应用于环境污染物高效去除的电化学处理技术。研究结果表明，腐殖酸可以作为还原剂、吸附剂诱导水相中Cr(VI)的去除。结果表明，当体系中100 mg•L-1的腐殖酸与20 mg•L-1的Cr(VI) 混合反应 8 h，Cr(VI)及总铬的去除率约在15%，显示了腐殖酸作为吸附剂对溶液中铬离子存在吸附络合作用。同时，腐殖酸分子可以作为电子穿梭体促使阴极电子向Cr(VI)转移，诱导还原反应发生。（1）开发出一种新型、高效电-Fenton技术。研究表明，将Pd/Fe3O4纳米颗粒投加到电化学体系中可形成高活性电-Fenton体系，可以在8 h内实现90%以上的腐殖酸矿化去除，同时，可以在2 h内实现对Cr(VI)的完全去除，总铬去除率达到90%以上，基本实现了对其从水相中的彻底去除。（2）开发出电驱动碳催化去除环境中污染物的新型高级氧化技术。申请人提出当向电化学体系中投加碳颗粒时，由于碳催化的协同作用，显著提升了电化学高级氧化技术（AOPs）的氧化能力，可以在6 h内实现对腐殖酸TOC 90%以上的矿化去除，Cr(VI)和总铬的去除率达到100%。（3）开发出电驱动纳米颗粒形成纳米双电极策略。申请人提出将导电性纳米颗粒投入到电化学体系中，即可实现对包括4-氯苯酚在内的环境污染物的高效去除。基于静电感应、双极电化学等基本原理，从概念、原理、应用层面提出并建立更具普适性的电场驱动纳米颗粒产生双功能纳米双电极与电解池技术与理论。结果表明，在电解1 h可实现4-氯苯酚的完全去除、达到70%的法拉第效率，高电流（> 150 mA）电解6 h可实现完全矿化去除。（4）开发出电驱动纳米催化技术应用于环境中有机卤化物高效脱卤技术。将纳米金属催化剂投入到阴极体系中，综合利用电解析氢作为氢源，协同电场驱动纳米颗粒发生电子转移及催化反应，可实现有机卤化物的高效脱卤反应。结果表明，在2 h内即可实现高浓度4-氯苯酚（130 mg/L）的完全脱氯反应。本项目为阐明环境污染物的地球化学行为及迁移扩散机制、缓解水体复合污染提供理论技术支撑。