阴极原位产H2O2强化光电催化降解水中EDTA的研究

本研究构建了以活性碳纤维(Activated Carbon Fiber,ACF)为阴极,TiO_2/Ti与Ru O_2/Ti为双阳极的光电催化体系.该体系中,Ru O_2/Ti电阳极和TiO_2/Ti光阳极均有氧化作用,可同时氧化降解污染物;且电阳极具有较强析氧作用,能产生大量O_2;ACF阴极具有还原作用,可将体系中产生的O_2原位还原为H_2O_2;H_2O_2在紫外光下产生·OH,进而强化光电催化与电催化氧化过程,实现对水中乙二胺四乙酸二钠(EDTA)的高效去除.本论文详细考察了电流密度、pH、曝气等因素对EDTA降解效果的影响.结果表明,在EDTA初始浓度为300 mg·L~(-1)、溶液初始pH=4.84、电流密度为12 m A·cm~(-2)和光电流密度为0.012 m A·cm~(-2)的条件下,反应90 min后,EDTA降解率高于90%.该催化体系实现了EDTA的高效降解.     

利用碳氮共掺杂二氧化钛纳米管阵列实现同时降解甲基橙和产氢

本研究结合阳极氧化和超声辅助沉积的方法合成碳氮共掺杂的二氧化钛纳米管阵列,并采用XRD、FESEM、UV-vis、XPS等技术对材料进行表征.光电化学(PEC)体系中,碳氮共掺杂二氧化钛纳米管阵列作为阳极,甲基橙溶液作为光电催化氧化的对象,对光催化剂的氧化性能进行了考察,与此同时,在阴极实现光解水产氢,最终在PEC体系中实现同时降解甲基橙和产氢.XRD、FESEM、UV-vis、XPS及TEM等表征结果表明,碳氮成功地掺入到了二氧化钛纳米管阵列中,并未破坏其多孔有序的结构,而且比二氧化钛纳米管阵列具有更高的光催化活性.光电催化降解甲基橙的实验当中,在酸性溶液条件下,二氧化钛纳米管阵列的催化氧化效率较高,降解效率达到了100%,其速率常数为2.3×10-3s-1(p H=4),同时也具有较高的产氢速率(0.95 mmol·h-1),因此,该实验体系在光电催化降解污水中的有机污染物同时产氢方面有应用前景.     

多孔TiO2薄膜电极/泡沫镍硬模板制备及其光电催化性能

以泡沫镍为载体,活性炭为造孔剂,采用硬模板法制备泡沫镍负载多孔TiO2薄膜(Porous TiO,films/foam nicel,PTFN)电极,并利用XRD和SEM等测试手段对其结构进行表征.同时,通过亚甲基蓝溶液的光电催化降解反应,对其光电催化活性进行评价,并探讨阳极偏压、通气速率、亚甲基蓝初始溶液浓度和活性炭造孔剂量对降解效率的影响规律.结果表明:相对于未加模板造孔剂的TiO2薄膜电极的光电催化性能,泡沫镍负载多孔TiO2薄膜具有更好的光电催化性能,原因是高比表面积电极有利于为光电催化提供高浓度的亚甲基蓝分子,使反应速率加快;另外,存在最佳的光电催化降解条件,即当外加阳极偏压为3 V,通气速率为40 L·h-1,n(活性炭造孔剂最):n(前驱体中钛)(即C/Ti)为10％,亚甲基蓝溶液初始浓度为1mg·L-1时,光电催化降解效率最高.同时,研究发现,亚甲基蓝在光电催化降解过程中,通过自由基的氧化发生了C=N键的断裂去甲基化,最后被降解为H2O、CO2和SO42-、NO3-、Cl-离子.     

UV/H2O2/微曝气联用工艺矿化内分泌干扰物BPA试验研究

采用UV/H2O2,微曝气工艺对水中内分泌干扰物双酚A(BPA)的降解与矿化进行了试验研究.该工艺是在UV/H2O2的基础上发展起来的一种新工艺,微曝气在UV光照射下产生了一定量的O3,提高了·OH的发生率.本试验研究了UV光强、H2O2投加量以及pH值对BPA矿化速率的影响.结果表明,随着UV光强的增大,BPA的矿化速率呈线性增加;当H2O2投加量由5mg/L增大到20 mg/L时,BPA矿化速率常数k由0.003 2上升到0.025 0;当pH为6.68时,在相同条件下BPA的矿化效果最好.在同一工况条件下,UV/H2O2/微曝气工艺降解BPA的速率远远大于其矿化速率,分析得出在开始反应阶段BPA首先被降解为小分子有机物,随着反应的进一步进行小分子有机物逐步被矿化为无机物.     

新型电化学体系对4-氯苯酚的降解

实验构建了4 种电化学反应体系,考察了各体系降解4-氯苯酚的效果.结果表明,以Sb-SnO2/Ti 和Fe 板为双阳极、多壁碳纳米管气体电极为阴极构建的新型电催化-电Fenton-电絮凝复合反应体系中,4-氯苯酚的去除率最高.通过正交实验确定了该体系各主要参数对4- 氯苯酚去除率的影响程度由大到小依次为初始浓度>曝气量>pH 值>电流密度.在阳极电流密度为20mA/cm²、曝气量为1.3L/min、pH值为3 的条件下,初始浓度100mg/L 的4-氯苯酚在电解10min 时的去除率为96%.     

长寿湖水体甲基汞光化学降解特征

为明确长寿湖水体甲基汞(MMHg)光化学降解特征,采用硼硅玻璃瓶对水样进行原位培养,探讨了长寿湖水体MMHg光化学降解的季节差异性及垂直变化特征,分析了不同波段光波对MMHg光化学降解反应的贡献,并估算了MMHg光化学降解的通量.结果发现,在光的作用下,长寿湖水体表层MMHg会发生明显的降解反应,未发现明显的净甲基化结果.在水体表层,夏季MMHg光化学降解速率最快((6.10±0.38)×10-3E~(-1)·m~2),其次为春季((4.90±0.24)×10-3E~(-1)·m2),秋冬季节的降解速率较低,分别为(3.10±0.19)×10-3E~(-1)·m~2和(2.60±0.12)×10-3E~(-1)·m~2;UV-A、UV-B和可见光(PAR)对表层水体MMHg光化学降解反应的贡献分别为49%~52%、21%~31%和21%~34%.MMHg光化学降解速率随水深增加而逐步衰减,其中,UV-B引发的光化学降解反应速率衰减最快,其次为UV-A.对整个水体而言,PAR对MMHg光化学降解的贡献最大(67%~77%),其次为UV-A(25%~31%),UV-B的贡献最小(4.3%~8.1%).夏、秋、冬和春4个季节的MMHg日降解通量分别为7.2、0.73、1.1和5.9 ng·m-2·d~(-1),年降解通量估算为1.5μg·m-2·a~(-1).可见,长寿湖水体MMHg光化学降解反应具有明显的季节和水深剖面变化特征,不同波段光波对降解反应的贡献有较大的差异.     

微生物光电化学池去除硝酸盐氮:以PANI/TiO2-NTs为光阳极

利用微生物光电化学池(MPEC)去除污染物是一种经济高效环保的方法.本实验在制备获得聚苯胺/二氧化钛纳米管阵列(PANI/TiO_2-NTs)复合光电极的基础上,构建了由PANI/TiO_2-NTs光阳极和生物阴极组成的MPEC系统,并对其去除硝酸盐氮(NO~-_3-N)的性能进行研究.结果表明,PANI负载时间为80 s时,PANI/TiO_2-NTs电极光电性能最佳,相比于TiO_2-NTs电极光电流密度增大约一倍,PANI的修饰有效提高了光能利用率.构建的MPEC系统能在无外加电压的条件下利用光能驱动实现自养反硝化脱氮,NO~-_3-N的生物降解符合准一级反应动力学方程.光响应电流密度越大,系统反硝化脱氮性能越好,NO~-_3-N初始浓度为25 mg·L~(-1)时,当光响应电流密度从0.17 mA·cm~(-2)增加至0.67 mA·cm~(-2),平均反硝化速率从0.83 mg·(L·h)~(-1)增大到2.83 mg·(L·h)~(-1).对生物阴极微生物膜进行了高通量测序,发现Pseudomonas所占比例最大(27.37%)为优势菌属.分析认为PANI/TiO_2-NTs光阳极产生的光生电子通过外电路传递到阴极,Pseudomonas、Alishewanella和Flavobacterium等具有自养反硝化能力和电化学活性的微生物可直接利用电极上的电子作为唯一的电子供体进行自养反硝化脱氮.     

光电化学协同催化降解甲基橙的研究

以TiO2/Ti薄膜电极为阳极、石墨电极为阴极、饱和甘汞电极为参比电极,设计了一种新型的双槽光电化学协同催化反应器,考察了阴极电位、反应时间、电解质浓度、溶液pH值等因素对甲基橙降解效果的影响.结果表明,电解质浓度对甲基橙的降解脱色效果影响不明显,而阴极电位、溶液pH值和反应时间则影响显著;色度为200度的甲基橙溶液,在阴极电位(Ec)为-0.6V、阴极槽初始pH3.0和阳极槽初始pH5.6、反应90min的条件下,阴极槽和阳极槽中甲基橙的脱色率分别为98.3%和51.3%,与仅靠TiO2/Ti薄膜阳极对有机物进行催化降解的“双槽单效”光电催化反应器相比,对甲基橙的催化氧化降解效率显著提高.降解前后的紫外-可见吸收光谱的变化表明,该双槽光电化学协同催化反应器不但可以同时使阴、阳两槽中的甲基橙脱色,且其苯环结构也被降解和矿化.     

氧气热处理的TiO2纳米管阵列光电催化降解亚甲基蓝的研究

采用原位阳极氧化法在Ti基底上制备了高度有序的TiO2纳米管阵列薄膜,SEM图像表明TiO2纳米管定向排列整齐,分布均匀,其管径范围在70～100 nm.XRD结果证明,阳极氧化法制备的TiO2纳米管为无定型晶型,经退火后为具有良好光催化活性的锐钛矿型.以亚甲基蓝（methylene blue）为目标物研究了TiO2纳米管光电催化性能及影响因素,结果表明,以0.1 mol/L NaCl为电解质,在氧气热处理气氛下,外加偏压为0.5 V、pH=3.25、光照强度为1 000μW/cm2、纳米管薄膜表面积为2 cm×2 cm且MB初始浓度为10 mg/L的条件下,TiO2纳米管阵列薄膜光电催化降解MB的降解效率可达99.56%.电化学阻抗谱分析显示,光电催化降解过程的速控步骤均为表面反应步骤,外加偏压减小了界面电荷转移阻抗,提高了光生载流子的分离效率.     

Ti/RuO2-IrO2电极电化学方法降解溶液中TBBPA及其降解机理探究

四溴双酚A(TBBPA)是世界上产量和用量最大的溴代阻燃剂之一,在河流、底泥及污水中持久存在,严重威胁环境和人体健康.探讨了阳极为Ti/RuO_2-IrO_2电极的电化学法对溶液中TBBPA的降解效率,并考察了电流密度(5~20 m A·cm~(-2))、初始pH值(3~11)、极板间距(1~3 cm)及电解质浓度(1~40 mmol·L~(-1))对降解速率的影响.研究结果表明,TBBPA的降解遵循一级动力学方程,在溶液初始浓度为5 mg·L~(-1)、电流密度为10 mA·cm~(-2)、电解质浓度为5 mmol·L~(-1)及极板间距为1 cm的条件下,60 min后TBBPA的降解率可达97.2%,且降解速率常数和半衰期分别为0.060 min~(-1)和11.6 min,能量消耗为105.3 k Wh·m~(-3).同时运用HPLC-MS/MS检测出中间产物双酚A(BPA)和2-溴苯酚,并推断其降解途径主要为在羟基自由基(·OH)作用下连续的脱溴过程中,苯环与异丙基之间的C—C键断裂生成BPA和2-溴苯酚.电化学法是一种高效的、有潜力的降解难降解有机污染物的方法,本文将为今后实际废污水中TBBPA的去除提供基础数据和技术参数.     

Co3O4/BiVO4复合阳极活化过一硫酸盐强化光电催化降解双酚A

采用静电纺丝法制备了Co_3O_4/BiVO_4复合薄膜电极,并以之为光阳极,在过一硫酸盐(PMS)辅助作用下开展了光电催化降解双酚A研究.结果表明,PMS在可见光下可显著强化Co_3O_4/BiVO_4复合阳极光电催化降解双酚A,在0.25 V外加偏压以及可见光照射下,当加入2 mmol·L-1PMS时,双酚A在2 h内的降解效率为96%.降解动力学常数为0.471 4 min-1.系统研究了PMS初始浓度、外加偏压对双酚A降解性能的影响.结果发现,双酚A在较低的PMS投加量和较低的外加偏压(0.25 V)下即可有效降解.采用电子自旋共振波谱仪鉴定体系的主要活性自由基为SO·-4和·OH.并进一步通过淬灭实验结果证明空穴、SO·-4和·OH起主要氧化作用.光电反应后的体系中未检测到金属离子溶出,可避免二次污染.     

微生物反向电渗析反应器产过氧化氢的研究

微生物反向电渗析(Microbial reverse-electrodialysis electrolysis cell, MREC)是一种通过微生物产生的电能与浓淡水盐差能耦合形成的一种新型的生物电化学技术.本文对MREC阴极回收H_2O_2的运行条件与影响因素及同步产能效应进行了研究.结果表明,浓淡水流速及浓度比是影响H_2O_2产生的关键因素.在浓淡水流速为2 mL·min~(-1)、浓/淡水比为100时,MREC可以获得最大H_2O_2产量711.4 mg·L~(-1),产H_2O_2速率达到最大33.65 mg·L~(-1)·h~(-1),阴极回收率为19.77%.同时,对应的产电性能达到1.25 W·m~(-2).MREC反应器能够在无需施加外界能源的情况下获得较高的H_2O_2产量,为H_2O_2绿色生产提供了一条新思路.     

负载多壁碳纳米管的多孔Ti/SnO2-Sb-Ni电极电催化氧化双酚A

为发展废水中双酚A（BPA）的处理技术和保护水环境安全,采用“电沉积-热分解”法制备负载多壁碳纳米管（MWCNTs）的多孔Ti/SnO₂-Sb-Ni电极,研究了电极对BPA的去除能力、动力学特征和矿化效率,初步分析了BPA的降解途径.结果表明,当浸渍液中n（Sn）∶n（Sb）∶n（Ni）为100∶10∶1、ρ（MWCNTs）为0.8g·L^-1时,制备的电极对BPA的去除效果最好;负载MWCNTs使得电极表面的晶体尺寸更小,可增大电极的比表面积,为电催化反应提供更多的活性位点,进而提高电极的电催化效率.当c（Na₂SO₄）为10mmol·L^-1、反应液初始pH为5和电流密度为50 mA·cm^-2时,对50 mg·L^-1的BPA降解60 min时去除效率达到99.76%;去除过程符合一级反应动力学方程,速率常数为0.096 min^-1;电解120 min时,TOC去除率达到67.01%.采用液相色谱-串联质谱分析法（...     

UV/H2O2氧化降解克拉霉素的反应动力学及影响因素

克拉霉素用量大、检出频率高、生态风险大,已被欧盟列为优先监测污染物.针对传统污水处理厂难以完全去除克拉霉素的问题,主要研究了UV/H_2O_2降解克拉霉素的效果和反应动力学,探讨了pH、天然有机质(NOM)和水中共存阴、阳离子对UV/H_2O_2降解克拉霉素的影响.结果表明:单一UV对克拉霉素的光降解符合准一级反应动力学模型,其反应速率常数为0.0016 min~(-1).UV/H_2O_2对克拉霉素的降解符合准一级反应动力学模型,且克拉霉素的降解速率随H_2O_2浓度的增大而增大,在H_2O_2浓度为40 mmol·L~(-1)时,克拉霉素降解的反应速率常数为0.0284min~(-1).克拉霉素与·OH的二级反应速率常数为(2.36±0.20)×10~(10)L·mol~(-1)·s~(-1).碱性条件有利于克拉霉素的降解;NOM(2~10 mg·L~(-1))会抑制克拉霉素的降解,且随NOM浓度增大而增大;共存阴离子CO_3~(2-)对克拉霉素降解无影响,HCO_3~-、NO_3~-、Cl~-会抑制克拉霉素的降解,抑制程度的大小顺序为NO_3~-HCO_3~-Cl~-;共存阳离子Ca~(2+)、Mg2+、Cu~(2+)、Fe~(3+)会抑制克拉霉素的降解,抑制程度的大小顺序为Fe~(3+)Cu~(2+)Mg2+Ca~(2+).     

UV降解水溶液中吲哚美辛的动力学研究

以中压汞灯为光源,研究水环境中吲哚美辛(IDM)的紫外光降解机制.实验结果表明,IDM的光解反应符合准一级动力学规律,其降解速率常数随自身浓度的增大而减小,当IDM浓度由1 mg·L~(-1)增至12 mg·L~(-1)时,其速率常数由0.0148 min~(-1)减至0.00412 min~(-1).通过模型研究IDM的紫外光解机制时发现,其降解包括直接光解和自敏化光解,直接光解常数为0.0151 min~(-1).研究环境因子对IDM光解的影响时发现,碱性环境有利于IDM的降解,而溶解氧抑制IDM的光解,腐殖酸通过光掩蔽和自由基猝灭两个作用抑制IDM的光解,硝酸根通过接受光量子产生·OH促进IDM的降解,并通过竞争反应实验测得·OH稳态浓度为2.10×10~(-1)4mol·L~(-1),IDM与·OH的二级反应速率常数为9.86×109L·mol~(-1)·s~(-1).     

TiO2@酵母复合微球固定床吸附荧光增白剂-VBL的研究

研究了Ti O2@酵母复合微球在固定床中吸附阴离子型荧光增白剂-VBL(FWA-VBL)的特性,考察了溶液p H(2.0~8.0)、床层高度(1~3 cm)、进水浓度(20~80 mg·L-1)和进水流速(5~11 m L·min-1)等因素对固定床吸附特性的影响.结果表明在溶液p H为2.0,床层高度为1 cm,进水浓度为80 mg·L-1和进水流速为5 m L·min-1时,吸附剂的最大吸附量为223.80 mg·g-1.BDST、Thomas和Yoon-Nelson模型均能很好地描述不同条件下动态吸附行为,相关系数均大于0.980.同时,Ti O2@酵母复合微球具有很好的再生性能,可以重复利用4次.     

K2S2O8强化g-C3N4薄膜电极光电催化降解Cu(CN)32-并同步回收Cu

采用高温液相生长法制得g-C_3N_4薄膜电极并作为光阳极,以石墨毡作为阴极,建立了光电催化系统.通过对比光电催化体系、K_2S_2O_8体系以及外加K_2S_2O_8到光电催化体系,发现在光电催化系统下外加K_2S_2O_8可以有效地提高光电催化降解Cu(CN)_3~(2-)的效率,并实现了Cu在阴极上的有效回收.探究了K_2S_2O_8投加量对CN-降解率和Cu回收率的影响,发现当K_2S_2O_8浓度为1 mmol·L~(-1),偏压为1.0 V时,CN-的去除率和Cu回收率分别达到86.23%和82.11%.通过SEM、EDS和XPS分析阴阳极表面形貌,发现部分Cu+被氧化以CuO的形式存在于沉淀和阳极表面,大部分铜离子通过电化学还原作用以单质铜的形式沉积于阴极表面,铜离子有效地从体系中去除.电子顺磁共振及淬灭实验分析表明,CN-的氧化去除是硫酸根自由基(SO·-4)氧化和非自由基氧化共同作用.     

GAC-O3/H2O2体系去除准好氧矿化垃圾床渗滤液尾水中难降解有机物的研究

为了降低准好氧矿化垃圾床渗滤液尾水中有机物浓度和提高体系可生化性,构建了GAC(粒状活性炭)-O_3/H_2O_2体系催化降解矿化垃圾床渗滤液尾水中有机物.同时,考察了体系O_3、GAC和H_2O_2投加量、初始pH值对GAC-O_3/H_2O_2体系处理渗滤液尾水的影响,并使用分子量分布、紫外-可见光谱和三维荧光光谱解析了难降解有机物在GAC-O_3/H_2O_2体系的转化机制.结果表明:在GAC投加量为10 g·L-1,O_3投加量为32.16 mg·min-1,H_2O_2投加量为3 m L·L-1,初始pH值为5的条件下,反应20 min后,其渗滤液尾水的COD和UV245分别从700.08 mg·L~(-1)和0.488下降到393.85 mg·L~(-1)和0.244,COD和UV254的去除率分别为43.80%和50.00%.经GAC-O_3/H_2O_2体系处理后,得益于含芳香环有机物的有效降解,渗滤液尾水中大分子有机物(大于50 k Da)明显减少,分子量小于1 k Da的有机物比例增多.与此同时,紫外区类富里酸荧光区及可见光区类富里酸荧光区峰值也大幅降低,其去除率分别为70.20%和58.69%,B/C从0.04增加到0.35,这也使得废水可生化性大幅提高.