酚类污染物在掺硼金刚石膜电极上的电化学活性与分子结构关系研究

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酚类污染物是优先控制的污染物。掺硼金刚石膜电极(boron-doped diamondelectrode,BDD)由于其具有宽电势窗口、低表面吸附性、高抗腐蚀性和强矿化能力等优点,成为利用电化学方法氧化去除酚类等难降解有机污染物的有力工具。   本文以2-硝基酚(2NP),3-硝基酚(3NP)和4-硝基酚(4NP)为模型污染物,研究了不同取代基位置对酚类污染物在BDD电极上电化学降解的影响,并选取12种酚类污染物进行了电解动力学实验,结合WinMOPAC软件计算了各取代酚的26种分子结构参数,建立了酚类电化学氧化表观速率常数对数与分子结构参数之间的定量结构-性质关系(Quantatitive Structure-Property Relationship,QSPR)模型。取得的成果如下:   (1)主要考察了污染物初始浓度、电流密度、搅拌速率、温度和pH等对4-硝基酚在BDD电极上电化学降解效果的影响。实验结果表明,在C0为1~3 mM时,随着浓度的增加,4NP和COD去除总量增加,但降解速率常数降低;高搅拌速率(1500 r/min)下的降解速率常数和COD去除率高于低搅拌速率(500 r/min)情形,因为高搅拌速率提高传质速率;在电流密度为10~30 mA cm-2范围内,随着电流密度的升高,降解速率和COD去除速率明显加快,因为高电流密度下羟基自由基的产生量增加;在pH=3和pH=11情形下,高pH促进4NP的降解,因为碱性条件更利于羟基自由基的产生;在t=20℃和t=40℃情形下,4NP的降解速率没有明显的差异,因此温度对降解的影响不明显。   (2)以2-硝基酚,3-硝基酚和4-硝基酚为模型污染物研究不同取代基位置对酚类污染物在BDD电极上电化学降解的影响。循环伏安扫描结果表明,硝基酚可以被羟基自由基攻击,取代基从苯环上脱落。3种硝基酚和苯酚(Ph)的电解实验结果表明,酚类污染物的降解符合拟一级动力学方程,并且降解速率符合以下顺序:2NP>4NP>3NP>Ph。分子结构,尤其是碳原子电荷,对硝基酚的降解具有重要的影响。降解过程的中间产物主要包括,邻苯二酚,间苯二酚,对苯二酚和小分子羧酸,如乙酸和草酸等。由此提出了硝基酚在BDD电极电化学降解的主要路径。Hammett常数代表取代基对于一给定芳香族化合物体系的电子效应,本文发现表观速率常数与Hammett常数之间具有良好的线性关系,其表明酚类污染物在BDD电极上的电化学降解主要是由羟基自由基的攻击引发的。   (3)选取12种污染物,包括苯酚,2-硝基酚,3-硝基酚,4-硝基酚,对硝基邻苯二酚,间苯三酚,4-羟基苯甲酸,4-羟基苯甲醛,4-甲基苯酚,4-甲氧基苯酚,4-氨基苯酚,4-氯间苯二酚等,进一步研究污染物结构与电化学活性之间的关系。电解实验结果表明,所有酚类污染物的降解均符合拟一级动力学方程。通过WinMOPAC软件,计算出各取代酚的26种分子结构参数,如分子量、最高占据轨道能量、核-核排斥能等。通过多元线性回归,建立了表观速率常数对数与分子结构参数之间的QSPR模型。3种分子结构参数,偶极距u,分子轨道能差ELUMO-EHOMO和键级(Bond Order,BO)可以很好地解释各种取代酚电化学活性的差异。
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