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氯酚是一类具有毒性且在环境中很难降解的有机污染物,近年来得到了越来越多的关注。将光催化法作为生物处理技术的预处理过程,在降低污水的浓度和毒性的基础上使用生物氧化法深度净化的光催化-生物氧化连用技术可用于水体中氯酚类污染物的去除。
本研究以水体中五种复合氯酚(2-CP,4-CP,2,4-DCP,2,4,6-TCP,PCP)为目标污染物,利用光催化辅助酶催化协同反应技术,使用制备的钛铋复合氧化物可见光催化剂(BTO)与漆酶电纺纳米纤维薄膜降解五种氯酚模拟污水。通过设计制作光酶复合连续反应器,优化工艺条件,在分析氯酚降解过程中生物毒性和中间产物变化的基础上探讨可见光催化辅助漆酶协同作用机理和氯酚可能的降解途径,并提出进一步的研究方向。
实验采用溶剂热合成法制备的BTO可见光催化剂具有发达的介孔结构和较宽吸收波长范围的光吸收能力。该催化剂通过计算得到的禁带宽度Eg为2.17 eV,可见光吸收波长最高达到570 nm,拓展了对光谱的响应范围。其比表面积在20~60 m2/g,对氯酚类污染物的吸附及去除性能良好,并通过光催化降解实验进行了验证。固定化漆酶采用高压静电纺丝技术制备载酶纳米纤维薄膜。该电纺纤维膜使用聚乙烯醇(PVA)作为载体原位包埋漆酶,以扫描电镜观察纤维的微观形貌,并测定了纤维膜的吸附性能和酶催化氧化活性。结果表明,载酶PVA纳米纤维膜具有高孔隙率的多孔结构,纤维分散均匀,平均直径为(96±13)nm;经测定酶活7天的保持率为82%,其酶活稳定性强,可用于长时间的连续催化反应。以2,4,6-三氯酚为底物,使用漆酶电纺纳米纤维膜催化反应90 min后氯酚的吸附率为56%,去除率可达97%。
为了优化光酶复合反应的工艺参数,本研究还讨论了光酶催化降解复合氯酚的主要影响因素。确定该反应体系的最佳实验条件:反应温度为30~35℃,氯酚初始pH值为7~8,氯酚初始浓度范围在0~50 mg/L,光催化剂投加量为每周2~3 g,漆酶电纺纳米纤维膜为2张(载酶量24 mg),氯酚循环水流速为1.5~3.0 mL/min。
在设计的光酶复合连续反应体系中,经过光酶复合反应装置连续运行148 h后,五种氯酚的平均降解率达到90%以上。使用发光细菌毒性检测法测定处理后的氯酚出水相对毒性下降80%左右。该实验结果验证了光催化辅助漆酶连用技术中光酶催化的协同效应,可有效用于处理含多种氯酚类物质的污水。