Fe@Co/GF阴极流动型生物-电芬顿系统降解左氧氟沙星及四环素的研究

作     者：李彩兰 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贾小宁

授予年度：2023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：电芬顿 生物-电芬顿 双室流动型生物-电芬顿 左氧氟沙星 四环素 

摘      要：抗生素药物使用范围广,用量大,但其在使用过程中不能被生物体完全吸收,大部分会通过排泄等方式重新进入环境中。虽然环境中抗生素总浓度不高,但其存在形态比较稳定,不易转化。抗生素在环境中的危害不仅在于其自身的化学毒性,更重要的是抗生素滥用会导致环境中产生抗性基因,抗性基因在环境中扩散后对公共健康构成重大威胁,现已将抗生素抗性基因归为一类新型环境污染物。因此,寻找一种高效的方法来治理环境中的抗生素污染已迫在眉睫。本文以电芬顿(EF)技术及生物-电芬顿(BEF)技术为基础,对BEF系统的阳极室进行改进,构建了双室流动型BEF(M-BEF)系统,该M-BEF系统中微生物有更大的负载面积,电子传质效率更高,产电也更加集中。以左氧氟沙星(LEV)及四环素(TC)作为目标污染物,研究其降解性能。具体进行了以下研究:(1)改性石墨毡阴极(Fe@Co/GF)制备及表征用KOH对GF进行活化,并在活化后的GF上负载Fe@Co双金属,制得了高催化活性的Fe@Co/GF阴极。利用电化学工作站分析了Fe@Co/GF阴极的循环伏安特性曲线及电化学交流阻抗,利用扫描电子显微镜对Fe@Co/GF的表面形貌进行了表征,采用比表面积测定仪测定了Fe@Co/GF阴极的比表面积、孔体积及孔径,用X射线光电子能谱证实了Fe@Co/GF上的主要元素为铁、钴、碳等,用X射线粉末衍射测定了Fe@Co/GF的结晶度。形貌等数据表明,改性后的阴极具有更大的比表面积、体积孔及更多的活性位点,电化学性能测试证明改性后的阴极电流响应更强。(2)Fe@Co/GF阴极EF系统降解LEV以Fe@Co/GF作为EF系统的阴极,对LEV进行降解,探究Fe@Co/GF在EF系统中的催化机理。研究发现在酸性条件下,Fe@Co/GF阴极可析出Fe,在无外加铁源的情况下,芬顿反应仍可发生。另外,通过对LEV的同类抗生素环丙沙星(CIP)的降解,说明Fe@Co/GF阴极在CIP废水处理上具有普适性。利用高分辨串联质谱仪检测了LEV降解过程中的中间产物的相对分子量,根据相对分子量对可能的降解路径做了推测,LEV主要在·OH与·O自由基的作用下,逐步矿化为了小分子物质。(3)GF阴极M-BEF系统同时降解LEV及TCM-BEF系统中阳极室进水为TC废水,考虑到TC对活性污泥有抑制作用,在实验前期对活性污泥进行了驯化,阴极室进水为LEV废水。研究了GF阴极M-BEF系统的产电能力及阳极氧化能力;探究了不同实验参数对阴极室中LEV去除率的影响;通过HPLC-MS检测了TC降解过程中可能的中间产物,并对降解路径做了推测。实验结果表明,M-BEF系统可实现阳极室和阴极室中同时降解不同类型的废水。(4)Fe@Co/GF阴极M-BEF系统同时降解LEV及TC以Fe@Co/GF为M-BEF系统的阴极,同时降解LEV及TC废水。通过研究M-BEF系统的产电性能以及对阴、阳室中LEV与TC的氧化能力来推断Fe@Co/GF阴极在M-BEF系统中的作用机理。实验结果表明,Fe@Co/GF阴极对M-BEF系统的阳极氧化及产电能力无明显促进作用,其主要作用是促进阴极室中LEV的降解。利用高通量测序技术对阳极室中的微生物群落做了检测,分析了阳极室中降解TC的优势菌种及主要的产电菌。