電催化電極材料制備及應(yīng)用于污水處理的研究.pdf

1、作為綠色工藝的電化學(xué)廢水處理技術(shù)在有機(jī)廢水的處理方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因而近年來備受國內(nèi)外研究者的青睞。在電化學(xué)反應(yīng)體系中，電極處于“心臟”地位，是實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)及提高電流效率，降低能耗的關(guān)鍵因素，因此，尋找和研制催化活性高的電極材料，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。 PbO2/Ti和氣體擴(kuò)散電極以其優(yōu)異的電化學(xué)性能，在污水處理、電分析等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究日益廣泛。本文中主要開展了新型Fe摻雜PbO2/Ti陽極(Fe—PbO2/Ti)和3種氣

2、體擴(kuò)散電極的制備及其應(yīng)用于污水處理的實(shí)驗(yàn)研究。 采用電沉積法制備了Fe—PbO2/Ti電極，并采用SEM、XRD、XPS對電極進(jìn)行表征。以對硝基苯酚(p-NP)、十二烷基苯磺酸鈉為去除目標(biāo)，研究了Fe—PbO2/Ti陽極電催化氧化難生化有機(jī)污染物的特性。結(jié)果表明，該電極對p-NP的降解效果＞十二烷基苯磺酸鈉。同時(shí)，考察了電流密度、有機(jī)物初始濃度、pH值對有機(jī)物去除率和降解動(dòng)力學(xué)的影響，并建立了相關(guān)的電催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)果表

3、明，有機(jī)物的去除符合表觀一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。 采用循環(huán)伏安法、交流阻抗法、并結(jié)合高效液相色譜和氣相色譜/質(zhì)譜等分析手段對p-NP的降解機(jī)理、歷程作了深入研究。結(jié)果表明，羥基自由基對有機(jī)污染物的降解起著重要作用，有機(jī)物的電催化反應(yīng)屬于電化學(xué)燃燒過程；p-NP的降解反應(yīng)可能同時(shí)涉及擴(kuò)散和吸附兩種過程：p-NP在高于Fe—PbO2/Ti電極析氧電位下，電催化氧化降解途徑是直接氧化與間接氧化的共同作用；改性后的新型Fe—PbO2/Ti陽極

4、的抗污染能力較強(qiáng)，對p-NP的降解顯示了良好的電催化活性和穩(wěn)定性，p-NP電催化氧化反應(yīng)速率常數(shù)比未摻雜PbO2/Ti電極增加24％。 以Fe—PbO2/Ti為陽極，活性炭氣體擴(kuò)散電極為陰極，構(gòu)建了新型電催化反應(yīng)體系，研究了陰陽兩極聯(lián)合降解p-NP的效果，考察了電流密度、初始濃度、pH值、曝氣量對p-NP去除率的影響。結(jié)果表明，在陽極電流密度24mA/cm2、曝氣量20mE/s的條件下，處理濃度為100mg/L的p-NP廢水，

5、電解55min后去除率達(dá)100％，且雙極氧化的槽電壓可降低0.5V。該體系能耗低、效率高，對pH的適用范圍廣，有良好的環(huán)保應(yīng)用前景。 以自制的多壁碳納米管(MWNT)氣體擴(kuò)散電極為陰極，石墨為陽極，構(gòu)成電化學(xué)體系現(xiàn)場產(chǎn)生H2O2。采用星點(diǎn)設(shè)計(jì)—效應(yīng)曲面優(yōu)化法建立了各參數(shù)對于H2O2產(chǎn)生量的擬合模型。結(jié)果表明：MWNT氣體擴(kuò)散電極對催化氧還原產(chǎn)生H2O2的能力較強(qiáng)，在電流密度10mA/cm2、曝氣量1.3L/min，60minH

6、2O2產(chǎn)生量為707mg/L，是活性碳?xì)怏w擴(kuò)散電極H2O2產(chǎn)生量的2.2倍。實(shí)驗(yàn)還提出了一種以MWNT氣體擴(kuò)散電極為陰極，F(xiàn)e板和Fe-PbO2/Ti電極為雙陽極的新型電催化-電Fenton復(fù)合電化學(xué)污水處理體系，該體系具有很高的處理效率和較大的應(yīng)用價(jià)值。 實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了兩種直接空氣陰極單室生物燃料電池(ACMFC)進(jìn)行同步廢水處理和生物發(fā)電。ACMFC2具有內(nèi)阻小、輸出功率高，充放電性能及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)阻為3.89Ω，最

7、大輸出功率密度774.8mW/m2。放電曲線、循環(huán)伏安測試表明，ACMFC2首次放電比容量和比能量分別為308mAh/gCOD和149mWh/gCOD。ACMFC2內(nèi)阻組成分析表明，歐姆內(nèi)阻為0.95Ω，非歐姆內(nèi)阻在活化極化區(qū)和歐姆極化區(qū)占總內(nèi)阻的比例分別為92.6％和75.58％。另外實(shí)驗(yàn)還以KMnO4為陰極電子受體，構(gòu)建了一種雙室生物燃料電池，考察了KMnO4濃度、pH值對MFC發(fā)電性能的影響。結(jié)果表明，KMnO4濃度為．500 m