【摘要】：當(dāng)前,抗生素的生產(chǎn)和應(yīng)用迅猛發(fā)展,在保障人類健康等方面發(fā)揮了重要作用。其中已發(fā)展到第四代的頭孢類抗生素使用最為廣泛,可有效抑制細胞壁合成,具有作用快、效果好的優(yōu)點。但抗生素濫用現(xiàn)象同樣突出,并且85%以上抗生素不能被完全吸收,會以原藥或者代謝物形式經(jīng)由尿液、糞便排入水體,引起系列環(huán)境問題,威脅到人類健康。現(xiàn)有的生化處理工藝對于抗生素處理效果不佳,亟需開發(fā)出高效新型工藝深度降解含抗生素廢水。電化學(xué)高級氧化技術(shù)(EAOPs)是利用電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生高活性羥基自由基('OH)降解目標(biāo)有機物的新型技術(shù),國內(nèi)外許多學(xué)者利用該技術(shù)降解了多種難降解廢水。其中光電芬頓(Photoelectro-Fenton,PEF)技術(shù)處理效果尤為突出,能夠?qū)崿F(xiàn)抗生素廢水深度礦化。本論文選取兩種常見頭孢類抗生素頭孢克洛(Cefaclor,CFC,第二代頭孢類抗生素)和頭孢哌酮(Cefoperazone,CFPZ,第三代頭孢類抗生素)為目標(biāo)物,利用PEF體系深度礦化這兩種抗生素,優(yōu)化降解頭孢類抗生素的反應(yīng)體系,研究降解反應(yīng)機理,探討污染物礦化途徑。進而提出利用摻硼金剛石電極(Boron-doped diamond electrode,BDD)強化PEF過程,實現(xiàn)深度礦化目標(biāo)物污染物之目的。主要從以下四個方面進行探討并得到初步成果:(1)RuO_2/Ti陽極PEF體系降解CFC研究:以RuO_2/Ti為陽極建立7個EAOPs反應(yīng)體系,通過對比試驗發(fā)現(xiàn)各體系對CFC的降解速率以及礦化程度遵循如下順序:AOAO-H_2O_2UVA-AO-H_2O_2Xe-AO-H_2O_2EFUVA-PEFXe-PEF,其中UVA-PEF和Xe-PEF體系能高效礦化CFC;對比兩種光源(Xe燈、UVA燈)PEF體系的礦化效果并進行條件優(yōu)化,確定Xe-PEF和UVA-PEF體系的最佳反應(yīng)條件:I = 0.36A,pH = 3.00,[Fe~(2+)]= 1.00mM,[CFC]_0=200mg-L-1,Xe-PEF體系的礦化率77.8%,高于UVA-PEF體系的68.2%。CFC降解過程中檢測到4種有機酸生成,分別是草酸(Oxalic acid)、草氨酸(Oxamic acid)、甲酸(Formicacid)、乙酸(Aceticacid);同時生成了 3種無機離子NH_4~+、NO_3~-、Cl~-;通過UPLC-QTOF-MS/MS分析Xe-PEF體系并確定CFC降解過程中產(chǎn)生3種芳香族降解產(chǎn)物,進而確定其可能的降解歷程。(2)BDD強化PEF體系深度礦化CFC研究:以BDD為陽極建立7個降解反應(yīng)體系,通過對比試驗發(fā)現(xiàn)CFC的降解速率以及礦化程度遵循如下順序::BDD-AOBDD-AO-H_2O_2UVA-BDD-AO-H_2O_2Xe-BDD-AO-H_2O_2BDD-EFUVA-BDD-PEFXe-BDD-PEF;通過進行 Xe-BDD-PEF 和 UVA-BDD-PEF 體系條件優(yōu)化,確立其最佳反應(yīng)條件:I = 0.36A,pH = 3.00,[Fe~(2+)]= 1.00mM,[CFC]_0 = 200 mg.L-1,礦化率分別達到85.8%和84.2%。CFC在降解過程中檢測到4種有機酸生成,分別為草酸、草氨酸、甲酸和乙酸;降解過程中生成4種無機離子NH_4~+、N03-、Cl~-、ClO3-生成,其中C103-的生成與BDD陽極有關(guān);UPLC-QTOF-MS/MS分析芳香族產(chǎn)物結(jié)果也表明BDD強化PEF體系能夠深度礦化CFC。(3)陽極材料對體系降解礦化CFC能力的影響研究:通過對比分別以BDD和RuO_2/Ti為陽極的EAOPs體系中H_2O_2和'OH的生成情況來確定各體系的反應(yīng)機理。結(jié)果表明,RuO_2/Ti-AO-H_2O_2和BDD-AO-H_2O_2體系H_2O_2最高生成濃度分別為1405.3 μM和1646.2 μM;RuO1/Ti-EF和BDD-EF體系'OH最高生成量分別為38.1 μ和178.9 μM,這表明BDD陽極能夠有效促進H_2O_2及'OH生成,提高體系氧化能力,這也解釋了以RuO_2/Ti和BDD為陽極的Xe-PEF體系TOC去除率分別為77.8%和85.8%。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)只在BDD陽極強化PEF體系中檢測到C103-離子。BDD體系有機酸生成量高,且最終能夠得到完全降解,而在RuO_2/Ti體系有機酸生成量低且降解慢,這說明BDD陽極有效增強了 PEF體系對目標(biāo)物的礦化效能。(4)鐵離子賦存狀態(tài)對反應(yīng)機理的影響:研究了 Fe~(2+)/Fe~(3+)濃度對EF和Xe-PEF降解CFPZ影響機制,通過分析CFPZ降解動力學(xué)和礦化效果發(fā)現(xiàn),EF和Xe-PEF體系在低濃度范圍內(nèi)隨Fe~(2+)/Fe~(3+)濃度增加其降解速率和礦化能力提高,確定了 EF及Xe-PEF體系Fe~(2+)和Fe~(3+)最佳投加量分別為1.00 mM和0.75 mM,EF過程的TOC最大去除率分別為65.1%(投加Fe~(2+))和58.4%(投加Fe~(3+)),Xe-PEF過程的TOC最大去除率分別為82.0%(投加Fe~(2+))和80.4%(投加Fe~(3+)),而當(dāng)Fe~(2+)/Fe~(3+)濃度過高時EF和Xe-PEF體系的氧化能力會降低,這表明選擇適當(dāng)Fe~(2+)/Fe~(3+)濃度對于EF和Xe-PEF過程非常重要。通過研究利用ACF表面吸附的鐵離子對EF和PEF體系CFPZ降解動力學(xué)及TOC去除率影響發(fā)現(xiàn),吸附在ACF表面的鐵離子的具有一定的催化能力,能夠?qū)崿F(xiàn)非均相Fenton反應(yīng)降解有機物。
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【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X703

【參考文獻】

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本文編號：2338677