用于去除环丙沙星的集成三阶段电化学策略：工艺稳定性评估与优化、性能分析、能耗及毒性研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Integrated three-stage electrochemical strategy for ciprofloxacin removal: assessment of process stability and optimization, performance, energy consumption, and toxicity

　　

Fernando Rodolfo Espinoza-Qui?ones|Isabella Cristina Dall’Oglio|Aparecido Nivaldo Módenes|Daniela Estelita Goes Trigueros|Mauricio Romani|Fernando Henrique Borba|Ana Maeli Vieira Miranda

巴西巴拉那州西大学化学工程研究生项目，地址：Rua Guaíra 3141, Jardim Santa Maria, 85.903-220, Toledo, PR

摘要

采用三阶段电化学处理方法高效去除环丙沙星（CIP），获得了更好的成本效益比。第一阶段使用铁电极电凝聚（Fe-EC）反应器，随后采用铝电极（Al-EC）进行第二阶段处理，最后将铝电极替换为不锈钢电极，形成混合电-Fenton（HEF）工艺。实验中使用了高电导率的CaCl₂盐溶液来启动Fe-EC过程。通过中心复合旋转设计（CCRD）确定了电导率和电流密度的最佳条件，并作为Fe-EC阶段的起始参数。在稳定的操作条件下（pH值为10.5，电流密度为47.88 m^-2，电导率为6.0 mS cm^-1），20分钟的Fe-EC处理后，TOC去除率达到60%，一级反应速率为0.047 min^-1。然而，在第二阶段的Al-EC处理中，pH值和电导率下降，导致TOC去除率仅增加了10%。相反，加入H₂O₂并维持稳定的pH值（4.2）后，第三阶段的HEF工艺使TOC去除率达到97%（相当于毒性降低了92%），一级反应速率为0.175 min^-1，总能耗为13 kWh m^-3，综合成本为13.3美元 m^-3。

章节摘录

引言

环境污染已成为一个全球性的严峻挑战，这主要是由于工业活动的持续扩张以及药品和先进化学品的广泛使用所致。这些发展导致了难以用传统处理技术清除的顽固性污染物的出现。特别是抗生素等药物化合物，经常在水环境中被检测到。

化学品

所有使用的化学品均为分析级。环丙沙星盐酸盐（分子式C₁₇H₁₈FN₃O₃?HCl，分子量367.8 g mol^-1，CAS编号93107-08-5）购自Sigma-Aldrich?。在1.0 L容量瓶中，通过将环丙沙星粉末溶解在电导率低于1.3 μS cm^-1

Fe-EC阶段稳定和最佳操作条件的研究

根据CCRD实验结果，环丙沙星这种被归类为新兴污染物的物质通过电化学作用部分被去除，转化为有机副产物。环丙沙星的去除率在53.3%至83.5%之间，而总有机碳（TOC）的去除率在38.7%至62.8%之间（详见补充材料S2）。因此，环丙沙星和总有机碳的去除效果存在显著差异，总有机碳的测量结果更能准确反映环丙沙星及其副产物的综合去除情况。

结论

资金来源

作者I.C. Dall’Oglio感谢巴西高等教育改进委员会（001-CAPES）的支持。F.R. Espinoza-Qui?ones和A.N. Módenes感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）对项目的资助。

CRediT作者贡献声明

Fernando Rodolfo Espinoza-Qui?ones：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法设计、实验研究、资金申请、数据分析及概念框架构建。Isabella Cristina Dall’Oglio：负责验证、监督、方法设计、数据分析。Aparecido Nivaldo Módenes：负责验证、监督、实验研究、资金申请及概念框架构建。Daniela Estelita Goes Trigueros：负责数据验证、软件使用及方法设计。Mauricio

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