由于其可用性和可靠性，反滲透工藝已廣泛應(yīng)用于城市廢水處理廠中的水再生利用。回收75-85%的給水時，會同時產(chǎn)生反滲透濃縮液，其中含有高濃度的鹽和有機(jī)物。此外，還含有各種新興污染物，如果將反滲透濃縮液直接排放到水生環(huán)境中，，盡管這些有機(jī)物的濃度較低，也會會造成嚴(yán)重的環(huán)境危害。在本研究中，制備了酸洗活性炭，硝酸改性活性炭，胺化活性炭和負(fù)載鈰的活性炭。研究了這些活性炭在反滲透濃縮液中臭氧化有機(jī)化合物的性能。提出了一種可能的機(jī)制，用于水中有機(jī)化合物的催化臭氧氧化。

　　催化劑的表征

　　圖1顯示了酸洗活性炭和負(fù)載鈰的活性炭的SEM和EDS分析。與酸洗活性炭相比，浸漬鈰后的活性炭表面負(fù)載的顆粒更多。如EDS分析所示，點2的鈰和氧含量遠(yuǎn)高于點1的鈰和氧，我們得出的結(jié)論是負(fù)載鈰的活性炭表面的顆粒主要是氧化鈰，在制備過程中它們傾向于形成附聚物。

　　圖1： SEM和EDS分析結(jié)果：(a)酸洗活性炭的SEM，(b，c)負(fù)載鈰的活性炭的SEM，(d)點1的EDC，(e)第2點的EDS。

　　活性炭催化臭氧化去除反滲透濃縮液中的有機(jī)物

　　圖2a示出了通過單獨的O 3，O 3 / H 2 O 2和催化臭氧化過程除去的用于反滲透濃縮液處理的有機(jī)物。反滲透濃縮液中約10%的有機(jī)物已通過單次臭氧化去除。當(dāng)在臭氧化系統(tǒng)中添加酸洗活性炭，硝酸改性活性炭和胺化活性炭作為催化劑時，TOC去除率分別提高到23.7%，20.5%和25.3%。TOC去除率的提高歸因于催化劑的吸附和催化氧化作用。加入H 2 O 2后，TOC去除率提高到49.2%，高于使用酸洗活性炭，硝酸改性活性炭和胺化活性炭進(jìn)行催化臭氧化過程中的TOC去除率。眾所周知，過氧化氫可以作為水相中臭氧分解過程的引發(fā)劑，導(dǎo)致生成·OH，這對難降解物質(zhì)的降解非常有反應(yīng)性。負(fù)載鈰的活性炭在反滲透濃縮液中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，TOC去除率為70.4%，甚至高于O 3/H 2 O 2。

　　圖2：在反滲透濃縮液中僅通過O 3，O 3/H 2 O 2和催化臭氧化過程進(jìn)行有機(jī)降解的效率。

　　反滲透濃縮液中催化臭氧化的可能機(jī)理

　　根據(jù)以上討論，四種活性炭催化劑均可提高反滲透濃縮液中有機(jī)物的去除率。特別地，負(fù)載鈰的活性炭催化的臭氧化顯示出比O 3/H 2 O 2工藝和其他催化臭氧化工藝更高的有機(jī)化合物降解速率。因此，探索負(fù)載鈰的活性炭催化臭氧氧化的機(jī)理具有重要意義。根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)，以研究·OH在催化臭氧化反應(yīng)中的貢獻(xiàn)率。在活性炭上的吸附動力學(xué)較慢，但與·OH的反應(yīng)常數(shù)高。

　　負(fù)載鈰的活性炭在臭氧氧化中可以很好的去除有機(jī)物，這主要是由于其各種去除機(jī)理，包括吸附，臭氧氧化和自由基氧化。吸附和臭氧化都是選擇性的。一些有機(jī)物在活性炭上緩慢吸附，因此非選擇性的羥基自由基氧化對于通過負(fù)載鈰的活性炭催化的臭氧氧化作用從水中去除難處理的有機(jī)化合物起著重要的作用。催化臭氧化系統(tǒng)中生成·OH的可能機(jī)理如圖3所示。通過這種機(jī)制，不僅可以通過表面官能團(tuán)而且可以通過負(fù)載在活性炭上的鈰來刺激·OH的生成。由表面基團(tuán)的自由基激發(fā)依靠其堿度和給電子效應(yīng)。對于負(fù)載在活性炭上的鈰，氧化鈰表面的氧空位是催化活性位。ø 3可以具有氧空位或直接用H反應(yīng)2 ö將其吸附在氧空位，以產(chǎn)生HO 3·，·O2 2-，HO 2·等自由基。這些自由基可以通過一系列鏈反應(yīng)轉(zhuǎn)化為·OH。在自由基生成過程中，氧空位周圍的Ce 3+會失去電子，并被氧化為Ce 4+，這可能導(dǎo)致催化活性降低。因此，富電子結(jié)構(gòu)(例如石墨烯層，-NO 2和吡喃酮)與氧化鈰之間可能發(fā)生電子轉(zhuǎn)移過程，從而導(dǎo)致Ce 4+的還原和催化活性的更新。這種協(xié)同效應(yīng)可能是在負(fù)載鈰的活性炭表面快速連續(xù)產(chǎn)生·OH的關(guān)鍵。

　　圖3：負(fù)載鈰的活性炭在催化臭氧氧化系統(tǒng)中生成·OH的可能機(jī)理。黑色：石墨烯，棕色：氧化鈰;紅色：氧空位，紫色：Ce 3+。

　　四種活性炭催化劑，例如酸洗活性炭，硝酸改性活性炭，胺化活性炭和通過改性和浸漬制備的載鈰活性炭。硝化和胺化分別提高了表面酸和堿性官能團(tuán)的濃度，可以在一定程度上提高活性炭的活性。由于吸附，臭氧化和自由基氧化，在活性炭上負(fù)載鈰可以顯著增強活性炭催化臭氧化過程中水中有機(jī)化合物的去除。載鈰活性炭在水中對反滲透濃縮液催化臭氧氧化和有機(jī)化合物礦化方面非常活躍。它可以極大地刺激·OH的生成，這對于去除水中的難降解有機(jī)化合物起著重要作用。活性炭表面的官能團(tuán)有助于生成·OH。此外，Ce 3+的氧化還原循環(huán)的組合Ce 4+和富電子結(jié)構(gòu)與氧化鈰之間的電子轉(zhuǎn)移對于在載鈰活性炭表面快速連續(xù)地生成·OH非常有效。由于這些優(yōu)點，載鈰活性炭是催化臭氧化的有前途的催化劑。

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