Ti-Ru-Ir氧化物阳极驱动的类光-电Fenton流化床反应器中HClO/Fe2+体系对甲硝唑高效矿化机制与性能研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Assessing the HClO/Fe2+ Fenton-like reaction for the degradation of metronidazole in a flow cell equipped with a Ti-Ru-Ir oxides anode

本文研究了一种利用Ti-Ru-Ir氧化物阳极的电化学高级氧化过程（EAOPs），在含氯介质中通过阳极氧化生成HClO，进而与Fe2+触发类Fenton反应，高效矿化抗生素甲硝唑（MTZ）。该工作系统评估了Fe(IV)-oxo（FeIVO2+）和羟基自由基（•OH）等不同氧化剂的贡献，并优化了工艺参数，为处理含氯废水中难降解抗生素提供了新策略。

　　

亮点

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  本工作首次评估了在配备Ti-Ru-Ir氧化物阳极的预中试规模流化床反应器中，通过类光-电Fenton（PEF-like）过程对甲硝唑（MTZ）的电化学矿化。
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  利用稀溶液中氯离子的阳极氧化原位生成HClO，并与Fe²⁺反应，生成高活性铁氧络合物（Fe^IVO²⁺）和羟基自由基（•OH）。
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  自由基捕获实验表明，Fe^IVO²⁺是MTZ降解的主要贡献者（58%），而•OH的贡献较小（13%），其余贡献来自直接电氧化和氯化等途径。
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  在优化条件下（0.4 mM Fe²⁺， 35 mM NaCl + 50 mM Na₂SO₄电解液， j = 16 mA cm^-2）， 20 mg L^-1的MTZ被完全降解， 矿化率达到78%， 能量消耗为0.9 kWh (g TOC)^-1。
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  残留的溶解性有机质主要为草酸和含氮衍生物。

自由基物种的贡献

通过使用自由基捕获剂进行了一系列实验，以确定在类PEF处理过程中，由HClO/Fe²⁺相互作用可能产生的•OH和Fe^IVO²⁺对MTZ氧化的贡献。本文的目的并非精确区分这两种氧化剂的存在（其存在性我们已在近期研究中讨论过），而是推断它们在反应机理中的参与程度，并量化它们在MTZ降解过程中的相对贡献。为此，我们使用了叔丁醇（t-BuOH）和二甲基亚砜（DMSO）分别作为•OH和Fe^IVO²⁺的捕获剂，因为它们具有较高的反应速率常数，分别为(3.8-7.6)×10⁸M^-1s^-1和(1.6-4)×10⁹M^-1s^-1， 从而允许区分每种活性物种的作用。捕获剂浓度设置为0.5 mM。