Образование хлората и перхлората при электрохимическом окислении анодом Ti4O7 с фазой Магнели: ингибирующее действие сосуществующих компонентов

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 15880 (2022) Цитировать эту статью

1061 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Вызывает обеспокоенность образование хлората (ClO3-) и перхлората (ClO4-) в качестве побочных продуктов процесса электроокисления. В настоящем исследовании оценивалось образование ClO3- и ClO4- в присутствии 1,0 мМ Cl- на анодах из легированного бором алмаза (BDD) и субоксида титана (Ti4O7) в фазе Магнели. Cl- трансформировался в ClO3- (временной максимум 276,2 мкМ) в первые 0,5 ч на анодах BDD с постоянной плотностью тока 10 мА см2, а через 4,0 ч образовывалось примерно 1000 мкМ ClO4-. Образование ClO3- на аноде Ti4O7 шло медленнее, достигая временного максимума примерно 350,6 мкМ за 4,0 часа, а образование ClO4- также шло медленнее на аноде Ti4O7: для достижения 780,0 мкМ потребовалось 8,0 часов. По сравнению с анодом BDD скорость образования ClO3- и ClO4- на аноде Ti4O7 всегда была ниже, независимо от использованных в экспериментах фоновых электролитов, включая Na2SO4, NaNO3, Na2B4O7 и Na2HPO4. Интересно, что образование ClO4- при электроокислении в значительной степени смягчалось или даже устранялось при включении в реакционные растворы метанола, KI и H2O2. Исследован механизм ингибирования превращения Cl- электроокислением.

Процесс электроокисления (ЭО) является перспективной технологией очистки сточных вод1,2,3,4. Было продемонстрировано, что процесс ЭО является эффективным средством разложения широкого спектра стойких органических загрязнителей, которые невозможно удалить с помощью традиционных процессов очистки, включая фармацевтические препараты, вещества, разрушающие эндокринную систему, фенольные соединения и, в частности, пер- и полифторалкильные вещества (ПФАС)5,6. ,7,8,9. ЭО — это химическая разрушительная технология, которая способствует разложению органических загрязнителей путем прямого переноса электронов от органических загрязнителей к аноду и атаки свободных гидроксильных радикалов и других активных форм кислорода, которые также образуются на поверхностях анода во время процесса ЭО10.

В последние десятилетия были разработаны достаточно стабильные и эффективные анодные материалы для ЭО-очистки воды, включая смешанные оксиды, такие как оксиды иридия и/или рутения11,12,13, диоксид титана14 и легированные алмазные электроды (BDD)15,16,17. . Это одна из важных причин, почему процесс ЭО лишь недавно приблизился к технической зрелости18. Субоксиды титана в фазе Магнели, такие как Ti4O7, недавно были исследованы в качестве перспективных электродных материалов для применения ЭО из-за их высокой проводимости и химической инертности. Было показано, что аноды Ti4O7 окисляют неподатливые загрязнения за счет сочетания прямого переноса электронов (DET) и непрямых реакций с HO·, образующимся на поверхности анода в результате окисления воды10. Наши недавние исследования продемонстрировали разложение и минерализацию перфтороктансульфоната (ПФОС, наиболее часто используемой перфторалкиловой кислоты) на аноде из фазы Магнели Ti4O719,20.

Одним из факторов, ограничивающих применение ЭО при очистке воды/сточных вод, является то, что его сильные окислительные условия также приводят к образованию токсичных побочных продуктов в присутствии Cl-, таких как хлорат (ClO3-) и перхлорат (ClO4-). В частности, ClO4- трудно удалить из воды, и его потребление связано с риском для здоровья, связанным с нарушением работы эндокринной и репродуктивной систем21. Эти риски заставили Агентство по охране окружающей среды США (EPA) регулировать перхлорат в соответствии с Законом о безопасной питьевой воде, хотя установленный федеральный предел еще не установлен22. Сообщалось об образовании ClO4- во время ЭО с использованием нескольких анодных материалов (например, BDD и Ti4O7)23. Присутствие Cl- приводит к образованию свободного хлора (HOCl), который далее превращается в ClO3- и ClO4- в системах ЭО с использованием как анодов BDD, так и Ti4O7. Этот процесс трансформации на BDD происходил гораздо быстрее, чем на аноде Ti4O724. Желательно разработать системы электроокисления, которые сводят к минимуму образование токсичных побочных продуктов, связанных с хлором, при очистке воды/сточных вод.