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双酚A及其工业生产替代物双酚AF是两种典型的环境激素,将含有此类物质的污水进行有效处理,对生态环境和人体健康具有重要意义。常规电化学氧化处理虽具有较好的降解效果,但存在能耗高、能源利用率低等问题,本文提出了一种模拟太阳光辅助电化学氧化降解的新方法。为明确该方法的有效性和作用条件,通过小试降解实验探究了双酚A及双酚AF的降解效果,开展单因子实验对双酚A在光辅助电化学氧化降解体系中的影响因素进行探究。采用自由基猝灭实验和自由基鉴定实验对光辅助电化学降解体系和电解体系的氧化机制进行了探究。分析鉴定了双酚A及双酚AF在不同体系中降解的中间产物,基于密度泛函理论对双酚A和双酚AF进行分子理论分析以及降解路径能量计算,综合中间产物结果及理论计算模拟分析,提出了双酚A及双酚AF的降解路径。降解实验表明,太阳光辅助电化学降解相较于单独的电化学降解和光降解过程对双酚类污染物去除有协同强化作用,其在90min对双酚A和双酚AF的降解率较单独电化学与光降解加和分别提高8.2%和13.2%;矿化效果较单独降解分别提高了17.9%和13.2%。使用阳离子交换膜体系使得电化学降解双酚A及双酚AF降解率分别提高了23%和30%。阳极种类按照电化学效能和光电协同作用效能优劣排序为掺硼金刚石电极(BDD)>铂电极(Pt)>尺寸稳定电极(DSA)。电流密度、电解质浓度和光照强度与双酚类污染物降解效果均呈正相关关系。探究了以氯离子(Cl-),硝酸根(NO3-),硫酸根(SO42-)和碳酸根(CO32-)为电解质的污染物的降解效果,降解率排序为Cl->NO3->SO42->CO32-。光照波长越靠近紫外段,对电化学降解促进作用越强,但非紫外段(420-780nm)波长的模拟太阳光同样对电化学降解体系有促进效果,光斜照到电极上或背照电极的方式对电化学降解促进作用影响不大,证明光的照射使得体系氧化效能增强的作用主体是体系中的溶液,而非电极表面。通过猝灭实验和电子顺磁共振波谱(EPR)实验表明,两种体系的降解机理均为羟基自由基(·OH)、单线氧(1O2)、硫酸根自由基(·SO4-)三种自由基的氧化作用以及电极直接氧化作用,其中起到主要作用的自由基为·OH和1O2。自由基鉴定实验证明模拟太阳光的加入,提高了·OH、·SO4-和1O2的产量,自由基猝灭实验证明在光辅助电化学体系中,随着时间变化,电极氧化作用及·SO4-贡献度逐渐增加,1O2贡献率一直维持在40%左右,而·OH的贡献率随时间逐渐降低,在电解体系中,反应20min后·OH贡献率达50%以上,30min后,·OH和1O2的贡献率维持在40%。模拟太阳光的加入提高了体系中1O2和·SO4-的含量和贡献度。对双酚A及双酚AF的降解路径分析结果表明,双酚A的降解主要有羟基化及醛基化反应、脱甲基反应及碳键断裂三条路径,典型的中间产物有苯酚、苯甲酸、对异丙烯基苯酚、邻苯二酚等苯系有机物。双酚AF的降解主要涉及到羟基化、脱碳羧基化、脱氟反应等反应历程,典型的中间产物有各种开环的羧酸类物质。采用密度泛函理论进行分子理论分析,判断两者的活性位点,同时对部分反应历程进行能量计算,所得结果再次证实了通过中间产物得到的降解路径的可行性。本研究提出了一种模拟太阳光辅助电化学降解的新方法,为双酚A及双酚AF等难降解有机物的降解过程提供了坚实的理论基础和全新的技术思路,太阳光的加入使得降解效果提高的同时降低了处理能耗,具有一定的经济效益,同时本研究内容为该方法的工业化应用提供了理论及数据支撑。

关键词：模拟太阳光电化学双酚A 双酚AF 自由基

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碳毡阴极电还原降解氯霉素效能与机制研究

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环境科学学报 2020年第10期40卷 3680-3687页

作者：董兰刚高庆伟刘帆崔冰心王琨赵庆良丁晶哈尔滨工业大学环境学院哈尔滨150090

为实现氯霉素(CAP)的稳定高效去除,通过阴极材料筛选优化,构建了以碳毡为阴极的电化学还原体系.实验分别考察了阴极材料、阴极电位、pH、电解质种类和CAP初始浓度对CAP降解效果的影响.结果表明:以碳毡为阴极,电流密度为2.5 mA·cm^-2时... 详细信息

为实现氯霉素(CAP)的稳定高效去除,通过阴极材料筛选优化,构建了以碳毡为阴极的电化学还原体系.实验分别考察了阴极材料、阴极电位、pH、电解质种类和CAP初始浓度对CAP降解效果的影响.结果表明:以碳毡为阴极,电流密度为2.5 mA·cm^-2时,反应30 min后初始浓度为10 mg·L^-1的CAP去除率达到了94.9%,60 min内CAP得以完全去除;CAP中氯的脱除是其降解的重要途径,60 min内氯离子的转化率可达60.5%;碳毡阴极电位降低至-1.4 V(***)利于还原降解过程;硝酸根的存在对CAP还原有一定的抑制作用;重复降解实验和扫描电镜(SEM)实验证明了碳毡阴极降解CAP效能的稳定性;通过电子自旋共振(ESR)自由基捕获和猝灭实验初步探讨了CAP的脱氯还原机制,发现原子H∗的生成和电子还原作用是CAP快速降解的主要机制.

关键词：电还原碳毡氯霉素脱氯

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