中間層引入及氧化釹稀土添加對鈦基PbO2涂層電極性能的影響.pdf

1、電化學(xué)氧化技術(shù)處理生物難降解有機污水被證實是一種有效且極具發(fā)展?jié)摿Φ膹U水防治技術(shù)，然而其核心部件—陽極氧化電極因在穩(wěn)定性、效率和效益等方面還無法滿足工程需要成為限制其實際應(yīng)用和推廣的一大障礙。由于PbO2具有類似于金屬的良好導(dǎo)電性、能允許大的電流通過、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、經(jīng)濟成本低及對有機污染物催化氧化有效等特性，常被陽極電沉積在閥金屬鈦材上制成鈦基PbO2涂層電極來作為生物難降解有機污水處理用電極材料，并已顯現(xiàn)出它在高濃度有機污水預(yù)處理具

2、有較大的技術(shù)優(yōu)勢。但使用中也發(fā)現(xiàn)該電極存在耐久性差、催化活性不夠高、結(jié)合不夠牢固等缺陷。引入適宜的中間層和利用稀土化合物改性已被研究者證實能有效解決上述缺陷的重要技術(shù)途徑，為此本研究旨在探討通過可控性強的電沉積法制備中間層以提高電極的性能，考察有不同中間層的PbO2涂層電極在硫酸溶液中的析氧失活行為，同時還系統(tǒng)地研究了稀土釹以離子和氧化物形式添加對鈦基PbO2電極的性能影響。研究取得的主要結(jié)果有：
　?。?）制備出陰極電鍍Ni、C

3、u-Ni復(fù)合層為中間層的Ti/Ni/PbO2電極和Ti/Cu-Ni/PbO2電極。與無中間層的Ti/PbO2電極對比，通過對電極表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及催化性能等表征，發(fā)現(xiàn)中間鍍層的引入均提高了電極的穩(wěn)定性并改善電極表面電勢分布，提高電極的導(dǎo)電性，降低槽壓和能耗。Ti/Ni/PbO2、Ti/Cu-Ni/PbO2和Ti/PbO2三種電極的加速壽命時間分別為36h、30h和26h，電極表面電勢分別為1.5~2V、2~3V和6~6.5V，

4、單位COD處理能耗分別為112kW·h/kg、139.3kW·h/kg和218.6kW·h/kg。同時Ni中間層的引入增加了活性層的沉積速率，細化了電極活性層晶粒，提高電極涂層的催化活性，對模擬苯酚廢水中COD去除率為62.1％明顯高于Ti/PbO2的52.6%。
　?。?）采用陽極電沉積法分別制備出以MnO2和α-PbO2為中間層的Ti/MnO2/PbO2電極、Ti/α-PbO2/PbO2電極及無中間層的Ti/PbO2電極，并對

5、電極晶體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及催化性能等進行表征。結(jié)果表明，α-PbO2中間層提高了Ti/PbO2電極穩(wěn)定性，電極的加速壽命時間分別為15h、33h和26h；兩種氧化物中間層的引入均改善了電極表面電勢分布，提高了電極的導(dǎo)電性及降解廢水時的電流效率，降低了槽壓及能耗，單位COD處理能耗分別為146.8kW·h/kg、171.2kW·h/kg和218.6kW·h/kg。同時兩種氧化物中間層的引入均提高電極的催化活性，Ti/MnO2/PbO2電極、T

6、i/α-PbO2/PbO2電極和Ti/PbO2電極對模擬苯酚廢水中COD去除率分別為54.7%、57.5%和52.6%。
　?。?）對存有不同中間層的PbO2電極在硫酸介質(zhì)中析氧失活行為進行研究。結(jié)果表明，幾種電極均呈現(xiàn)出相似的失效演變規(guī)律：電極活性層顆粒均隨電解時間的增加而發(fā)生溶蝕等微觀變化，活性層有局部脫落，涂層電極阻抗演變規(guī)律表明等效元件擬合值在失活前后發(fā)生顯著變化。對比不同中間層對失活行為影響可知，結(jié)構(gòu)致密，結(jié)合強度高，良

7、好的活性氧阻擋能力的中間層有利于提高電極的穩(wěn)定性。在電沉積的四種中間層中，Ni中間層的綜合性能最優(yōu)，使得Ti/Ni/PbO2電極壽命最長；Cu-Ni復(fù)合層因銅底層致密性差，導(dǎo)致電極壽命縮短；α-PbO2中間層結(jié)構(gòu)致密，與活性層結(jié)合牢固，Ti/α-PbO2/PbO2電極壽命較長；而對MnO2中間層而言，因其自身應(yīng)力大造成較多的裂紋存在導(dǎo)致Ti/MnO2/PbO2電極壽命最短。
　?。?）稀土Nd3+和Nd2O3添加制備的PbO2電極

8、性能研究表明，當(dāng)Nd3+添加50mg/L時所得電極電催化活性最高，COD的去除率可達55.6%，苯酚的降解率可達89.8%，且稀土Nd3+加入濃度對電極電催化活性呈非單調(diào)影響；稀土Nd2O3復(fù)合沉積制備出的PbO2電極中雖未檢測出Nd2O3的存在，但其對PbO2的結(jié)晶過程會產(chǎn)生一定的影響，隨著Nd2O3加入量的增加，電極中非活性α-PbO2的量增加，降低了二氧化鉛電極的催化活性，使其對COD的去除率以及苯酚的降解率低于未添加稀土改性的二