铁系催化过硫酸钠氧化还原降解氯代烃的基础研究

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氯代烃类溶剂作为重要的有机溶剂、化工原料和化工产品中间体,广泛应用于化工、电子、医药、印刷和干洗等行业。但由于氯代烃在生产、储存、运输和使用等过程中的不当操作,以及电子拆解、金属清洗废水的随意排放,导致其很容易通过挥发和渗透等途径进入大气、地下水及土壤环境中。鉴于氯代烃污染在地下水及土壤环境中的广泛性及其对人体的危害性,本论文以污染地下水及土壤中常见的三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)和1,1,1-三氯乙烷(TCA)三种氯代烃污染物为研究对象,针对二价铁(Fe(Ⅱ))活化过硫酸钠(PS)体系存在的问题,通过螯合剂、三价铁(Fe(Ⅲ))还原剂及零价铁(Fe0)等改进体系提高氯代烃的处理效果,开展以铁系催化过硫酸钠氧化还原作用为核心的氯代烃污染修复技术研究。本论文主要研究了不同螯合剂对Fe(Ⅱ)活化过硫酸钠降解TCE的效果,考察柠檬酸(CA)浓度、阴离子Cl-、HCO3-和腐殖酸对Fe(Ⅱ)/CA活化过硫酸钠降解TCE的影响;研究还原剂盐酸羟胺(HA)对Fe(Ⅱ)活化过硫酸钠处理TCE的效果,考察不同还原剂和HA、Fe(Ⅱ)、过硫酸钠浓度、水质条件的影响;探究HA投加量和溶液初始pH值对Fe(Ⅱ)/HA活化过硫酸钠降解PCE的影响,并阐明PCE降解机理;通过自由基清扫实验和化学探针法鉴定上述体系中的活性氧自由基。由于上述体系不能有效降解TCA,本论文还研究了Fe0在泥浆体系中还原降解TCA效果,考察了TCA初始浓度、Fe0投加量、泥浆体系pH值和水质条件等因素的影响,最后分析了降解中间产物和Cl-质量平衡。通过上述研究,得到如下结论:  (1)在Fe(Ⅱ)活化过硫酸钠体系中,螯合剂均可抑制铁沉淀的产生。其中,Fe(Ⅱ)/CA是最有效的过硫酸钠活化剂,对TCE的去除具有明显的促进作用。反应温度为20℃、TCE初始浓度为0.15 mM、PS/Fe(Ⅱ)/CA/TCE摩尔比为15∶2∶1∶1时,TCE在60 min内基本完全降解。TCE的降解可以分为快速和慢速反应两个阶段,其中,慢速反应阶段的TCE降解过程符合准一级反应动力学方程。CA投加量存在最优值(0.3 mM),超过最优值TCE去除率反而下降。Fe(Ⅱ)/CA活化过硫酸钠体系中起作用的自由基为·OH、·SO4-和O2-·自由基,且·OH自由基为主要活性氧自由基。Cl-、HCO3-和腐殖酸对TCE的降解均起抑制作用,且HCO3-的抑制作用较Cl-更加显著。Cl-的释放量随TCE浓度的减少而升高,且TCE在60 min内可以完全脱氯。  (2)通过比较不同还原剂对Fe(Ⅱ)活化过硫酸钠降解TCE效果发现,HA为最有效的Fe(Ⅲ)还原剂,对提高TCE去除具有重要作用。HA和Fe(Ⅱ)投加量存在最优值,分别为1.5 mM和3 mM,超过最优值TCE去除率反而下降;增大过硫酸钠浓度可以促进TCE的降解。实验温度为20℃、TCE初始浓度为0.15 mM、PS/Fe(Ⅱ)/HA/TCE摩尔比为15∶2∶10∶1时,30 min内TCE基本完全降解。Fe(Ⅱ)/HA活化过硫酸钠体系中对降解TCE起主要作用的活性氧自由基为·OH、·SO4-和O2-·自由基。Cl-、HCO3-、SO42-和NO3-等无机阴离子对TCE的降解均有一定的抑制作用,且在相同摩尔浓度时,抑制效果可排序为:SO42-< NO3-< Cl-< HCO3-。腐殖酸对TCE的去除也有抑制效果,但在30 min内均可完全去除TCE。Cl-的释放量随TCE浓度的减少而升高,且TCE在60 min内可以完全脱氯,未检测到任何具有挥发性的有机含氯中间产物。  (3)在Fe(Ⅱ)/HA活化过硫酸钠体系中,HA可以将Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ),缓和Fe(Ⅲ)的快速积累并加速Fe(Ⅱ)的再生,最终提高PCE的去除率。HA投加量存在最优值,超过最优值PCE去除率反而下降。加入HA后,可以显著提高PCE去除率,并扩大了有效的pH值范围;PCE去除率随溶液pH值升高而降低,酸性条件有利于Fe(Ⅱ)/HA活化过硫酸钠降解PCE,碱性条件显著抑制PCE的降解效果。Fe(Ⅱ)/HA活化过硫酸钠体系中起主要作用的活性氧自由基为·OH、·SO4-和O2-·自由基。释放至溶液中的Cl-浓度随PCE浓度的降低而逐渐升高,且在60 min时PCE可以完全脱氯,此时未检测到任何具有挥发性的有机含氯中间产物。  (4)Fe0能够有效地降解泥浆体系中的TCA,反应温度为20℃、TCA初始浓度为0.15 mM、Fe0投加量为10 g L-1、土水质量比为1∶5时,TCA在12 h内基本完全去除。TCA的降解分为慢速和快速反应两个阶段,其中,快速反应阶段的TCA降解过程符合准一级反应动力学方程。TCA去除率随土水质量比和Fe0投加量的增加而升高,升高泥浆体系初始pH值不利于TCA的降解。TCA初始浓度、Cl-和SO42-对TCA降解过程影响较小;HCO3-可以促进TCA的降解;NO3和腐殖酸对TCA的降解起抑制作用,且抑制程度随离子浓度的增大而增强。Cl-的释放量随TCA浓度的减少而升高,检测出主要的降解中间产物为1,1-二氯乙烷,表明TCA的主要降解机理为还原脱氯。
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