第一作者:Kirill Fedorov
通讯作者:Grzegorz Boczkaj
通讯单位:波兰格但斯克大学
DOI:10.1016/j.cej.2022.141027
采用水力空化(HC)激活过碳酸钠(SPC)和臭氧(O3)来降解难降解的1,4-二恶烷。在空化数(Cv)0.27、pH值5、氧化剂与污染物摩尔比(rox)8、臭氧剂量0.86g h-1、温度25±2℃、1,4-二恶烷初始浓度100ppm的最佳条件下,120分钟内实现了降解效率>99%,速率常数为4.04×10-2 min-1。HC和SPC/O3的应用在120分钟内使降解效率提高了43.32%,证实了耦合过程之间的协同效应。此外,与HC/H2O2/O3相比,1,4-二恶烷在HC/SPC/O3中的降解效率更高,这表明SPC的存在对1,4-二恶烷的降解具有重要作用。自由基淬灭实验显示,在碳酸盐(CO3自由基)和超氧化物(O2自由基)中,羟基(HO自由基)对1,4-二恶烷的降解贡献最大。共存的阴离子的存在导致抑制作用,其顺序如下。SO42- > NO3- > Cl-。根据GC-MS分析,检测到乙二醇二甲酸酯(EGDF)是1,4-二恶烷的主要降解产物。观察到的中间产物支持1,4-二氧六环氧化的自由基路线,其中包括H-抽象、α-C位置的ΔC-C分裂、随后的二聚化、碎裂和矿化。最佳工艺的每单电能(EEO)为102.65 kWh-m-3-order-1。处理的总成本估计约为12美元/m3。这些发现证实了SPC是一种高效、环保的H2O2替代品,并扩大了基于碳氢化合物的水和废水处理的AOPs的范围。
本研究的目的是:i).研究水力空化(HC)下SPC/O3过程中1,4-二恶烷的降解;ii).了解HC/SPC/O3在单独和耦合过程中1,4-二恶烷的降解动力学的协同作用;iii). 通过使用特定的自由基清除剂进行淬火实验,确定HC/SPC/O3中的活性物种;iv).在不同的pH值和无机阴离子存在的环境相关条件下进行降解;最后,v).确定转化产物并阐明HC/SPC/O3中1,4-二恶烷降解的机制。
Fig. 1. Effect of Cv on the degradation 1,4-dioxane in sole HC: (A) degradation efficiency, (B) pseudo-first-order kinetic plots ([1,4-D]0 100 ppm, pH0 5, 20 ± 2 °C).Fig. 2. Effect of different processes on the degradation 1,4-D: (A) degradation efficiency, (B) pseudo-first-order kinetic plots ([1,4-D]0 100 ppm, Cv 0.27, SPC rox 8, [O3] 0.86 g h−1, pH0 5, 20 ± 2 °C).Fig. 3. Effect of various processes on the degradation 1,4-D: (A) degradation efficiency, (B) pseudo-first-order kinetic plots ([1,4-D]0 100 ppm, Cv 0.27, Na2CO3 = H2O2 rox 8, [O3] 0.86 g h−1, 20 ± 2 °C).Fig. 4. Effect of SPC rox on the degradation 1,4-D in HC/SPC: (A) degradation efficiency, (B) pseudo-first-order kinetic plots ([1.4-D]0 100 ppm, Cv 0.27, pH0 5, 20 ± 2 °C).Fig. 5. Effect of O3 dosage on the degradation 1,4-D in HC/SPC/O3: (A) degradation efficiency, (B) pseudo-first-order kinetic plots ([1,4-D]0 100 ppm, Cv 0.27, SPC rox 8, pH0 5, 20 ± 2 °C).Fig. 6. Effect of fixed O3 dosage on the degradation 1,4-D in HC/SPC/O3 with various SPC rox: (A) degradation efficiency, (B) pseudo-first-order kinetic plots ([1,4-D]0 100 ppm, Cv 0.27, [O3] 0.86 g h−1, pH0 5, 20 ± 2 °C.Fig. 7. Effect of pH0 on the degradation 1,4-D in HC/SPC/O3: (A) degradation efficiency, (B) pseudo-first-order kinetic plots ([1,4-D]0 100 ppm, Cv 0.27, SPC rox 8, [O3] 0.86 g h−1, 20 ± 2 °C).Fig. 8. The map of pH change throughout the degradation 1,4-D in HC/SPC/O3 at various pH0 ([1,4-D]0 100 ppm, Cv 0.27, SPC rox 8, [O3] 0.86 g h−1, 20 ± 2 °C).Fig. 9. Effect of scavengers on the degradation 1,4-D in HC/SPC/O3: (A) degradation efficiency, (B) pseudo-first-order kinetic plots ([1,4-D]0 100 ppm, Cv 0.27, SPC rox 8, [O3] 0.86 g h−1, [SPC]:[Scavenger] = 1:10, 20 ± 2 °C).Fig. 10. Effect of anions on the degradation 1,4-D in HC/SPC/O3: (A) degradation efficiency, (B) pseudo-first-order kinetic plots ([1,4-D]0 100 ppm, Cv 0.27, SPC rox 8, [O3] 0.86 g h−1, [SPC]:[Anion] = 1:10, 20 ± 2 °C).Fig. 11. The proposed degradation pathway of 1,4-dioxane in HC/SPC/O3.
HC/SPC/O3似乎是降解1,4-二恶烷的一个有效的替代方法,在120分钟内达到99.34%,k为4.04×10-2 min-1。与传统的过氧化物工艺相比,HC/SPC/O3需要的SPC(rox 8)和O3(0.86 g h-1)的剂量相对较低,从经济可行性的角度看,这对实际应用是有希望的。由于清除自由基物种,SPC和O3的浓度高于/低于最佳剂量被认为是有害的。HC/SPC/O3中CO32-的存在通过增加pH值促进了O3的分解,并参与了自由基连锁反应以提供更多的活性物种。根据淬火实验,HO基点自由基被确定为HC/SPC/O3中最主要的自由基物种,这就提出了在1,4-二氧六环降解过程中反应性物种的贡献依次为HO基点>CO3基点->O2基点-。所研究的共存的无机阴离子抑制了HC/SPC/O3的有效性,其中SO42-阴离子的抑制作用高于NO3-和Cl-阴离子。利用GC-MS检测了HC/SPC/O3中1,4-二恶烷降解的产物,并提出了降解途径。氧化途径包括几个转化步骤,形成乙二醇二甲酸酯,这与之前报道的自由基途径降解1,4-二恶烷是一致的。这项工作强调了SPC在过氧化氢过程中的潜在应用,作为HC下H2O2的有效、安全和可持续的替代品。
Kirill Fedorov, Manoj P. Rayaroth, Noor S. Shah, Grzegorz Boczkaj, Activated sodium percarbonate-ozone (SPC/O3) hybrid hydrodynamic cavitation system for advanced oxidation processes (AOPs) of 1,4-dioxane in water, Chemical Engineering Journal, 2023, https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141027
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