原位电芬顿法深度处理畜禽养殖废水中磺胺嘧啶研究

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近年来,畜禽养殖废水中残留抗生素类药物引起的污染问题日益突出。作为难降解有机污染物,传统的物化法、生物法对抗生素类药物的处理效果并不理想。本文以常见经典兽用抗生素——磺胺嘧啶为研究对象,以直流电或太阳能为驱动电源,通过制备的Pd/CeO2催化剂将阴极(石墨)、阳极A(Pt板)电解水产生H2、O2催化合成H2O2,同时利用阳极B(铁板)产生的Fe2+来构建原位电芬顿体系,并以此去除模拟废水中的磺胺嘧啶,旨在为处理含有抗生素畜禽养殖废水提供一个思路。本文主要研究了如下内容:(1)采用等体积浸渍法制备Pd/CeO2催化剂,使用XRD、TEM、XPS、TGA对Pd/CeO2催化剂进行表征。结果表明,Pd成功的负载在CeO2表面,分散均匀,部分Pd微粒与CeO2形成PdxCe1-xO2-δ固溶结构。Pd/CeO2催化剂表面Pd微粒平均粒径7.7nm,其中具有催化活性的Pd0占比为63.8%,Ce微粒中具有催化活性Ce3+占比13.8%。TGA测试结果表明,Pd/CeO2催化剂在40~550℃具有良好的热稳定性,在550~800℃可能发生化学反应或结晶。(2)利用Pd/CeO2催化剂、阳极板A、石墨阴极在直流电源驱动下构建原位合成H2O2体系,并探究反应过程中溶液中H2O2产量与各反应体系参数的关系,其最佳条件为:电流密度为10 m A/cm2、初始p H为2、搅拌速度为200 rpm、催化剂用量为0.05 g等。(3)在直流电源驱动原位合成H2O2体系基础上,构建直流电源驱动原位电芬顿体系。首先,对原位电芬顿体系去除模拟废水中磺胺嘧啶进行可行性分析,对比磺胺嘧啶在原位电芬顿、阳极A-石墨阴极电极反应、H2O2氧化时的去除效率和速率,结果表明,原位电芬顿体系中磺胺嘧啶的去除速率和效率均远远高于后两者。随后,探究原位电芬顿体系去除磺胺嘧啶效率与各反应体系参数的关系,其最佳条件为:电流密度为10 m A/cm2、初始p H为3、两阳极A:B电流比为15:2、催化剂用量为0.1 g、搅拌速度为400 rpm等,并发现磺胺嘧啶初始浓度越低,其去除速率和去除率越高。(4)对直流电源驱动原位电芬顿体系去除磺胺嘧啶过程进行TOC测试,结果表明,反应150 min后TOC去除率为73.3%,矿化度高。利用HPLC、LC/MS测定磺胺嘧啶降解中间产物,推测出7种中间产物,分析了原位电芬顿体系中磺胺嘧啶的降解途径。(5)在直流电源驱动原位电芬顿体系基础上,构建太阳能光伏驱动原位电芬顿体系,探究不同天气(阴天、晴天、多云)条件下模拟废水中磺胺嘧啶去除情况,反应150 min后磺胺嘧啶去除率分别为:多云(97.2%)>阴天(96.8%)>晴天(95.2%),表明在不同天气条件下太阳能光伏驱动原位电芬顿体系能高效地去除模拟废水中磺胺嘧啶。
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