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可变活性中间价态锰在电化学阴极活化KMnO4的原位调控与水污染控制

批准号:
22076015
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
赵纯
依托单位:
学科分类:
水污染与控制化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵纯

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
自由态/固态活性中间价态锰可通过吸附、氧化还原和催化作用高效去除水中难降解有机物、重金属离子和耐药菌及其抗性基因等多种污染物。针对现有原位产生活性中间价态锰方法存在二次污染风险且无法对中间价态锰的价态、相态和形态结构进行灵活精准调控的局限性,提出通过电化学阴极活化KMnO4原位调控产生可变活性中间价态锰高效去除水中多种难去除特征污染物的新思路。探究固液界面自由态中间价态锰产生过程及价态调控机理;探索电场诱导Mn(VII)演变固态锰氧化物的组成变化规律及其结构、形貌精准构筑机制;基于对转化规律和调控原理的系统研究,揭示阴极材料通过表面作用和电化学机制协同活化KMnO4过程中存在的微观反应机理;并通过理论计算和对水中多种特征污染物去除试验,明确不同形态中间价态锰与其吸附、氧化及催化活性等物化特性之间的构效关系;最终为开发基于电化学调控可变活性中间价态锰的新型水污染控制方法提供理论和技术支持。
英文摘要
Free state/solid state active manganese intermediates can effectively remove a variety of pollutants such as refractory organics, heavy metal ions, antibiotic-resistant bacteria, and their resistance genes in water by adsorption, redox, and catalysis. However, the current methods to generate manganese intermediates have the drawback of secondary pollutants risk as well as inflexible and inaccurate control for the valence, phase, and morphological structure of the manganese intermediates. In view of the limitations of current methods to generate manganese intermediates in situ, we propose a novel idea of electrochemical reductive activation of KMnO4 to generate corresponding manganese intermediates with variable physicochemical property in situ to remove target pollutants with different character in water. The evolution process and control mechanism of free manganese intermediates at solid-liquid interface are suggested to be explored while the composition change rule and the accurate building mechanism of solid manganese oxide involved in the evolution of Mn(VII) induced by electric field are also suggested to be investigated. Then, based on the systematic study on the production, transformation, and adjust law of different manganese intermediates, the fundamental microcosmic reactions in the process of co-activation of KMnO4 by electrode materials surface and electrochemical mechanism are anticipated to be revealed. Moreover, the adsorption, redox, and catalytic properties of active manganese intermediates with different structure and interface characteristics were verified by theoretical calculation and removal test of various pollutants with different character in water. Finally, theoretical and technical supports for the development of a novel method for water pollution control based on electrochemical generation of variable active manganese intermediates are proposed.
高锰酸钾(PM)作为一种化学氧化剂,因其稳定、高效和价格低廉的特性常被用于水处理过程中以去除水中有机污染物的气味、溶解的二价锰离子以及蓝藻毒素。近年来,为增强PM 的氧化能力,亚硫酸氢钠、碳材料以及过硫酸盐被广泛用于活化PM产生活性锰物质(RMnS)。我们之前的研究表明,电也可以活化PM产生三价锰(Mn (Ⅲ) aq)。但在E-PM体系中,PM 和Mn (Ⅲ) aq最终变成了氧化能力更低的MnO2和二价锰离子(Mn2+),这限制了该体系的氧化性能的进一步提升。而锰及其化合物也可以催化O3或过硫酸盐产生更多的·OH等活性氧化物种,已有的研究表明PM及原位生成的MnO2和Mn2+都对O3或过硫酸盐有催化作用。此外,电阴极活化O3或过硫酸盐产生更多的活性氧化物种近年来也得到了广泛的关注。.该研究在E-PM体系中加入O3或过硫酸盐(PDS\PMS),探究了体系对多种污染物的降解及矿化效能,并选取双氯芬酸(DCF)等新污染物为目标污染物,对比了复合氧化体系与其他对照体系的能耗、活性氧化物种的产生途径及作用机理。结果表明,在复合氧化体系内可以同时产生RMnS和·OH等多种活性氧化物种,从而提高氧化效能,并降低能耗。机理实验表明,电及原位生成的MnO2和Mn2+催化O3或过硫酸盐(PDS和PMS)产生·OH。而RMnS主要来源于PM的阴极还原和O3或·OH等对低价态的氧化。对磺胺甲恶唑(SMX)、盐酸四环素(TCH)、双酚A(BPA)、卡马西平(CBZ)、硝基苯(NB)和DCF等多种难降解有机物的去除均表现出较好的协同效果。.此外,该研究将电活化高锰酸钾技术和超滤技术相结合,开发了一种新型碳基复合导电超滤膜材料,设计了一种阴极半流通式电化学反应器,系统深入地研究了电活化高锰酸钾耦合超滤(EUP)体系同步去除小分子溶解性有机污染物和缓解膜污染的效果和作用机制,不但显著还提升了对膜污染的缓解效果,并有效解决了水溶液中加入高锰酸钾所引起的色度和浊度问题。一举解决了困扰高锰酸钾活化和超滤膜过滤的多个瓶颈问题,为开发基于活性中间价态锰的新型水处理技术提供了更具应用前景的新途径。
电场耦合过氧化物原位再生PFASs吸附饱和活性炭的效能与调控机制
  • 批准号:
    52370126
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    赵纯
  • 依托单位:
多孔碳电极增强电化学/臭氧耦合体系去除水中PPCPs机理研究
  • 批准号:
    51308563
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    赵纯
  • 依托单位:
国内基金
海外基金