多环芳烃在高铁酸钾和CuO/TiO2及其协同氧化体系中的转化特性研究

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近年来,我国水源水体中检出的具有生物毒性、环境稳定性的痕微量有机污染物越来越多,保障饮用水安全已成为关系民生的重大问题。论文经过综合分析现有痕微量有机污染物去除技术,拟通过跟踪萘、菲、芘和苯并[α]芘四种典型的多环芳烃在高铁酸盐强氧化系统以及CuO/TiO2可见光催化体系的转化过程,探讨多环芳烃在不同氧化体系中的氧化转化机理。同时,作者认为利用高铁酸盐捕获电子的特性,可以促进CuO/TiO2可见光催化体系电子-空穴对的分离,由此构建高铁酸盐和CuO/TiO2光催化氧化协同氧化体系,促进难降解有机污染物的彻底无机化,为微污染水源水的安全氧化处理提供技术支撑。研究结果表明:①采用次氯酸钙为原料制备高铁酸钾固体,不需要现场制氯气,提高了实验室制备的安全性,并通过分批添加冷却饱和氢氧化钾溶液充分搅拌抽滤除去杂质的方法,得到高铁酸钾的产率和纯度分别为50.16%和96%,均处于中上等水平。②采用溶胶-凝胶法制取了CuO/TiO2光催化剂,负载CuO的Ti02光催化剂CuO/Ti02的禁带宽度为1.51 eV,吸收边为890nm,实现了Ti02的可见光改性。③微污染源水中多环芳烃在高铁酸钾氧化系统的氧化主要在前10-20min发生,最佳实验条件下萘、菲、芘、苯并[α]芘的去除率分别为46.9%、97.9%、72.4%和83.0%。GC-MS跟踪分析反应的中间产物,发现邻苯二甲酸二丁酯、己二酸酯和9,10-菲醌等是多环芳烃在高铁酸钾氧化系统中产生的主要中间产物,多环芳烃在高铁酸盐氧化体系中并未彻底无机化。尤其邻苯二甲酸二丁酯是被确认的环境激素类物质,潜在的环境风险极大,进一步无机化转化是显得尤为重要。④多环芳烃在CuO/TiO2光催化氧化体系中的氧化转化率随着时间的增加不断增加。萘、菲、芘、苯并[α]芘在30min反应后,氧化转化率分别为28.6%、13.6%、11.6%和51.9%。GC-MS跟踪分析反应历程,发现邻苯二甲酸酯、己二酸酯、醌类、醛类和烷烃类物质等是多环芳烃在CuO/TiO2光催化氧化系统中产生的主要中间产物。如果有足够的反应时间,所有的化合物都会被完全矿化。⑤在协同氧化体系中,高铁酸钾的强氧化作用促进了H202的生成,通过CuO/TiO2光催化转化提高了系统·OH的生成量,达到协同氧化效果。协同氧化体系对萘、菲、芘、苯并[α]芘的氧化转化率分别为52.5%、98.3%、81.6%和92.7%,优于独立系统。相同反应时间,协同氧化体系中的多环芳烃水样中TOC的去除效果均优于独立系统。GC-MS跟踪分析反应历程,发现反应前20min主要体现出高铁酸钾的氧化转化作用,然后CuO/TiO2光催化体系中OH/·OOH、R自由基等继续降解产生的中间产物和残留的多环芳烃,直至彻底氧化。比两个独立的氧化系统,协同体系在时间和效果层面均进行了有效协同作用。
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