电化学氧化体系中活性物种调控实现Ni-EDTA高效降解及产物选择性控制

作     者：徐昊林 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯春华;洪伟

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：电化学氧化 活性氯 高价金属 氯代副产物 Ni-EDTA 

摘      要：镀镍废水中最主要的污染物为镍有机配体络合物,对于络合态镍(如乙二胺四乙酸络合镍,Ni-EDTA)采用的处理策略通常是先利用高级氧化工艺降解破络再通过沉淀的方式实现重金属镍的去除。传统高级氧化工艺如芬顿、类芬顿、臭氧氧化和光化学氧化法处理金属有机络合物时存在能耗高、效率低、操作复杂等问题。近年来,电化学氧化技术因其无需外源投加化学药剂、高效、易自动化操作以及适应多变的有机负荷等优点而备受关注。然而,目前Ni-EDTA电化学降解的研究大多集中在开发电催化阳极、探索降解途径和反应机理、揭示反应效率有限的潜在原因等方面,在含氯离子的电化学体系中,Ni-EDTA降解有毒氯代副产物的形成很少被关注。本研究建立了一种典型的电化学氧化体系降解Ni-EDTA(镀镍废水中的典型污染物)。通过对Ni-EDTA的去除速率和降解产物的深入研究,发现该体系存在氧化效率低、生成氯化副产物的问题。为了解决这一问题,开发了一种能够调控活性物种的双阳极电化学体系。主要研究结果总结如下:(1)氧化破络是去除络合态重金属的关键步骤。首先,我们构建以商用混合金属氧化物(MMO,材质为Ti/Ru O-Ir O)为阳极的电化学氧化体系用于降解Ni-EDTA。当电流为250 m A时,在溶液有氯和无氯情况下,电化学体系处理180 min后Ni-EDTA的去除率分别达到96.3%和77.8%;动力学拟合发现Ni-EDTA降解符合一级反应动力学,其中在有氯情况下随着反应进行降解速率呈现出加快现象,反应速率常数随反应时间从0.0124 min增加到0.0216 min。对含氯体系中出现的固体进行表征分析,确定反应过程生成了高价Ni物种;结合Ni存在下会促进Fe(III)-EDTA的降解,我们推测Ni-EDTA在电化学氧化体系中会生成高价Ni物种作用于自身降解,从而提高反应速率形成自催化降解效果。然而,产物鉴定发现生成了多种有机氯代副产物,处理后出水存在一定的环境风险。(2)其次,我们提出了一种新的策略,使用MMO阳极和Fe阳极构成的双阳极电化学氧化体系降解Ni-EDTA,减少氯代有机副产物的生成。结果表明,双阳极体系实现了更高的Ni-EDTA去除速率(0.141 min),以及加碱沉淀后更高的Ni去除率(39.85降低至0.63 mg L);效果明显优于单MMO阳极体系(Ni-EDTA降解速率为0.017 min,溶液中残留Ni浓度为14.38 mg L)和单Fe阳极体系(Ni-EDTA几乎没有去除,溶液中残留Ni浓度为38.37 mg L)。与单MMO阳极体系产生的活性氯物种相比,双阳极体系中原位生成的Fe(IV)在减少有机氯代副产物的生成和降低处理后溶液的急性毒性上起主要作用(使用发光细菌进行评估)。通过对降解产物的鉴定,提出了单MMO阳极和双阳极体系中Ni-EDTA的降解路径。以Fe(IV)为主导活性物种的双阳极体系能有效去除实际镀镍废水中多重污染物(包括有机配体、Ni和磷酸盐)。研究结果表明,利用电化学氧化体系处理含氯有机废水时,活性氯转化为Fe(IV)的策略为提高体系氧化能力、降低氯代产物生成和产物毒性开辟了一条新途径。