過碳酸鹽高級氧化工藝在飲用水處理中的研究進(jìn)展

張擎宇 , 林英姿

(吉林建筑大學(xué) , 吉林 長春 130118)

0 前言

近年來,大量有機(jī)環(huán)境污染物(如抗生素、苯胺、菲、鄰苯二甲酸二甲酯、除草劑、苯)排放到環(huán)境中。對地表水、地下水、土壤和沉積物造成了嚴(yán)重污染,對人類健康構(gòu)成了重大威脅。因此,急需一種被有機(jī)化合物污染的水和土壤的修復(fù)技術(shù)[1]。

高級氧化工藝(AOP)作為標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)氧化技術(shù),通常被認(rèn)為是廢水中有機(jī)物修復(fù)的有效且快速的方法,如光催化氧化、臭氧氧化和類Fenton技術(shù),這些技術(shù)廣泛應(yīng)用于難降解污染物的治理。 Fenton作為一種常規(guī)技術(shù),由于其高效性和適應(yīng)性,近年來受到了越來越多的關(guān)注。一些典型的類Fenton氧化系統(tǒng),如基于硫酸鹽的AOPs,顯示出了更好的降解效率。然而,基于液態(tài)過氧化氫(H2O2)的傳統(tǒng),Fenton系統(tǒng)通常存在pH值范圍窄(pH值<3)、化學(xué)成本高以及產(chǎn)生難降解污泥等問題,因此在應(yīng)用過程中通常會具有一定的局限性[2]。

過碳酸鈉(SPC),即Na2CO3·1.5H2O2,是H2O2的固體載體,H2O2和過碳酸鈉都可以作為污染物處理的氧化劑。然而,這兩種氧化劑之間存在許多差異。H2O2的液態(tài)形式引起了運輸和儲存的安全隱患,而SPC的固態(tài)形式使其易于儲存和運輸。而且每噸液態(tài)H2O2的價格為1 000～1 200美元,是SPC成本的3倍[3]。此外,運輸和儲存液態(tài)H2O2的特殊設(shè)施和從業(yè)人員也帶來了額外的成本。因此,SPC被認(rèn)為比液態(tài)H2O2更便宜、更方便。SPC的生物影響和水生毒性小于液態(tài)H2O2。在添加1.0 mmol/L H2O2時,通過UV/H2O2處理觀察到大腸桿菌的細(xì)胞生長抑制和凋亡增加。在同等H2O2劑量下,UV/SPC的毒性相對較低,具體而言,與H2O2相比,SPC對丁酸代謝和檸檬酸循環(huán)的干擾較小[4]。ZHANG等[5]研究了SPC的原位修復(fù),急性毒性結(jié)果表明,SPC對斑馬魚沒有毒性作用。XU等[6]發(fā)現(xiàn)SPC可用于控制有害藍(lán)藻,同時維持整個水生生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。

基于過碳酸鹽的高級氧化工藝(P-AOPs)對水生生物毒性低、對較寬pH值范圍的適應(yīng)性和高催化能力,具有一定的環(huán)保特性,是廢水處理的經(jīng)濟(jì)替代方案[7]。與碳基吸附等其他常用處理方法相比,過碳酸鹽的用量不需要進(jìn)一步回收和再生。過碳酸鹽的漂白和殺菌作用保證其作為一種有效消毒劑的實際應(yīng)用[8]。

1 SPC活化技術(shù)及其在P-AOPs中的應(yīng)用

1.1 物理激活法及其應(yīng)用

1.1.1紫外線(UV)激活

1.1.2放電等離子活化

等離子體是電子、離子、自由基和中性物質(zhì)的混合物,分為熱能和非熱能。熱等離子體可以產(chǎn)生足夠的能量,通過電弧放電和無線電輻射使等離子體成分保持熱平衡,非熱等離子體使用較少的功率,通常會引起電暈或介電勢壘[11]。由于非熱等離子體所需的電子溫度往往比熱等離子體中的低得多,因此,優(yōu)選研究非熱等離子體,包括放電等離子體和介質(zhì)阻擋放電,以凈化有機(jī)污染物[12]。

1.2 金屬離子的活化及其應(yīng)用

金屬離子活化是基于類芬頓的高級氧化工藝最常用的方法,相比于其他催化方法,金屬離子AOPs中過碳酸鹽的活化具有溫度適中、pH值范圍寬、降解速度快等優(yōu)點。因此,金屬離子活化被應(yīng)用于去除各種有機(jī)污染物,包括氯有機(jī)化合物(COCs)、苯、甲苯、乙苯、二甲苯(BTEX)、抗生素、多環(huán)芳烴(PAHs)、苯胺和四氯化碳(CT)。

1.2.1氯化合有機(jī)物的降解

COCs經(jīng)常用于干洗和脫脂劑。由于其致癌性,COCs被認(rèn)為是全球分布最廣泛的地下水污染物之一[14]。MIAO等[15]提出Fe2+活化過碳酸鹽降解四氯乙烯的研究,電子順磁共振(EPR)檢測證實PCE主要是通過·OH氧化降解的,并且結(jié)果表明,SPC/Fe2+體系對PCE的降解降低了溶液的pH值,使溶液呈酸性。一般來說,過低的溶液pH值可能會影響催化劑的穩(wěn)定性;而對于類Fenton過程來說,在中性pH值下有效地去除污染物是可取的,實驗結(jié)束后,SPC的溶解為實驗的中和創(chuàng)造了一個天然環(huán)境。因此,Fe2+/SPC 體系比 Fenton體系能夠適應(yīng)更廣的pH值范圍。

1.2.2BTEX的降解

1.2.3抗生素的降解

抗生素對生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生持久影響,因此近年來引起了廣泛關(guān)注?？蒲腥藛T采用過碳酸鹽系統(tǒng)用于緩解由抗生素引發(fā)的這一問題。WANG等[18]比較了磺胺 (SA) 與 H2O2/SPC的類芬頓反應(yīng)降解;結(jié)果表明,物質(zhì)的量比影響了去除效率。用 2.0 mmol/L SPC時,SA去除率為93.36%,而過量添加(3.0 mmol/L)SPC,SA去除率下降1.96%。不利影響是因為過量的SPC分解生成碳酸鈉,導(dǎo)致pH值升高,超出芬頓反應(yīng)的合適范圍。YAN等[19]在水相中使用 Fe2+活化過碳酸鹽體系的SMX降解,研究去除SMX的反應(yīng)機(jī)制和降解途徑,·OH被認(rèn)為是氧化過程中的主要活性氧化劑。在整個氧化過程中,中間產(chǎn)物通過羥基取代順序、異惡唑開環(huán)、磺酰胺鍵斷裂和—SO2損失后的分子內(nèi)重排形成。

1.3 納米零價鐵(nZVI)在SPC活化中的應(yīng)用

納米零價鐵(nZVI)因其表面積和反應(yīng)效率高在氧化反應(yīng)中得到廣泛研究。然而,小尺寸使其易于聚合。先前的研究表明,負(fù)載材料,如石墨烯、沸石、碳納米管和其他新材料可以減少聚集。

1.3.1負(fù)載沸石

添加還原劑可以減輕pH值的降低。在存在還原劑的情況下,最終的pH值從9.0下降到7.6,而在沒有還原劑的情況下,最終的pH值從7.0下降到4.1。

1.3.2石墨烯和氧化石墨烯負(fù)載

2 結(jié)論

綜上所述,過碳酸鹽在去除水中有機(jī)物質(zhì)方面的應(yīng)用取得了很大進(jìn)展。盡管過碳酸鹽的成本比過氧化氫低,而且易于運輸,但其實際應(yīng)用仍處于起步階段,需要對水處理的壽命、穩(wěn)定性、安全性和成本進(jìn)行進(jìn)一步的評估。另一方面,與過硫酸鹽等其他氧化劑相比,過碳酸鹽氧化體系表現(xiàn)出一定的降解效率。此外,過碳酸鹽在水處理中被認(rèn)為是有機(jī)降解的氧化劑和消毒劑。