论文部分内容阅读
消毒副产物(disinfection by-products，DBPs)因其潜在毒性已成为饮用水质健康安全的重要隐患。强化去除DBPs前驱体是控制DBPs的重要途径，而认识DBPs生成能力与前驱体结构之间的关系是有效控制DBPs生成的科学基础。本文以DBPs前驱体的结构特性研究为切入点，深入研究了电/光电催化氧化反应过程中DBPs前驱体的结构、形态转化和消毒副产物生成势的相关关系，运用电化学沉积法制备出高效去除水中DBPs的电极，建立了控制DBPs生成和高效催化还原DBPs的电化学新方法。
选取我国三个城市的地表水源水，其溶解性有机碳含量(dissolved organic carbon，DOC)分别为2.5、5.2和7.9 mg/L。首先分别对其进行超滤和树脂分级，通过研究原水和相应组分生成DBPs的能力，发现原水的DOC含量与DBPs生成能力没有明显的相关关系。SUVA值(254 nm处紫外吸收与DOC的比值)可在一定程度上代表原水中具有芳香结构的有机物含量，但不能反映低腐殖质含量原水中活性基团生成DBPs的能力。经研究推断酚羟基和共轭双键是原水与活性氯反应生成DBPs特别是三氯甲烷(trichloromethane，TCM)和三氯乙酸(trichloroacetic acid，TCAA)的活性基团。而氨基、羧基和醇羟基在氯化过程中具有较强的生成二氯乙酸(dichloroacetic acid，DCAA)、溴代卤乙酸和溴代三卤甲烷的能力。
采用光电组合方法实现了DBPs前驱体的有效去除。研究发现光电催化氧化过程中，疏水非极性的大分子有机物被氧化成为亲水性的小分子有机物，并且逐步被降解矿化。结合三维荧光光谱，傅里叶红外光谱，固体交叉极化13C核磁共振，气相色谱-质谱联用等方法，对各组分的结构变化情况进行分析及表征，结果表明TCM(trichloromethane，TCM)和TCAA的前驱体主要具有酚羟基和共轭双键结构，这些官能团容易通过光电催化氧化反应被降解，而溴代消毒副产物和DCAA的前驱体主要具有氨基、羧基和醇羟基等结构，这些官能团相对较难被降解。
采用电化学沉秋的方法将原位生成的Pd(0)和Fe(0)颗粒负载于碳纸表面制得电极(Pd/Fe-C)，相对于浸渍煅烧法制备的电极，电沉积法制备的Pd/Fe颗粒具有更小的粒径，排列也更加致密均匀。电沉积Pd/Fe-C电极具有优异的催化还原卤乙酸和溴酸盐等DBPs的能力。利用Pd/Fe-C电极电催化还原DBPs同时存在直接还原和间接还原两个过程，氯代乙酸通过直接还原作用被逐步脱氯，最终脱氯产物为MCAA(monochloroacetic acid，MCAA)；电化学间接还原通过Pd(0)表面形成的活性氢(H*)的作用而实现，在间接还原的作用下，氯代乙酸最终可被完全脱氯。在催化还原DBPs的过程中，Pd(0)是主催化剂，Fe(0)起到结构助催化的作用。
进一步，将镀钯的颗粒活性炭作为阴极室固定填料，研制三维电极反应器，进行卤乙酸的电催化脱卤研究。结果表明，三维电极反应器对卤乙酸有较好的电催化还原效果，在电流密度为0.3 mA/cm2、水力停留时间为20 min、卤乙酸初始浓度为120μg/L时，卤乙酸出水浓度小于60μg/L。经连续运行试验考察，该反应系统对卤乙酸去除具有较高稳定性。