杂原子自掺杂污泥碳的可控制备及其电容和氧还原性能研究

发布时间：2020-05-31 04:00

【摘要】：剩余污泥是污水处理过程中最主要的副产物,在堆放过程中易产生恶臭而污染空气。其处理难度大,通常采用的堆肥、填埋、焚烧等手段易造成二次污染,影响人体健康。因此,开发环境友好型的污泥处理处置技术显得尤为迫切。对剩余污泥组成进行分析后发现,其主要成分为含碳有机物,且富含Fe、N、P、S等杂原子,碳化后能形成多原子自掺杂的污泥碳,作为电极材料应用于能量转换装置。考虑到污泥成分复杂(其性能和组分决定于废水水质、处理工艺、外加处理药剂等),如何做到污泥碳材料可控合成是本领域一个关键问题。本文首先探索了影响污泥碳物理化学性能(比表面积、孔隙度、导电性、掺杂原子及其掺杂度、稳定性等)及其电容性能的关键因素,为实现污泥碳材料的可控合成提供方法。以市政污泥、焦化废水污泥,及两者苯酚驯化后的污泥为研究对象,探讨了四种前驱体形成的污泥碳材料在物理结构、化学组成、及其电化学性能上的差异。其中,苯酚驯化后的污泥(尤其是焦化废水污泥)碳材料展现出了多孔类石墨烯结构,相比未驯化污泥碳,比表面积更高、石墨化程度更大,杂原子掺杂量更多。焦化废水污泥碳在电解液为1 M H_2SO_4的三电极体系中的比电容值可达416 Fg~(-1)(电流密度为1 Ag~(-1)),且具备很好的倍率性能(当电流密度从1提高到15 Ag~(-1)时,电容保留了80.7%),经过10000个充放电周期后,比电容值保留了96.9%(20 Ag~(-1))。通过一系列的对照实验,找出了影响材料结构的关键因素(如Fe、N、P含量以及微生物与剩余污泥的亲和度),证实了这些因素对于材料性能起着至关重要的作用。为了制备性能更加优异的污泥碳材料,并探索其在多领域的应用,本文进一步以焦化废水污泥为研究对象,采用氨氮连续驯化的方式获得化学组成及形态可调控的污泥絮体。以此絮体为前驱体,在不外加前驱体、活化剂、模板剂情况下,通过一步高温分解法合成了多原子掺杂的碳材料,这种材料表现出层次分明的类石墨烯结构、合适的孔径分布、较高的杂原子掺杂程度、良好的导电性。所获得的硝化驯化污泥碳材料展现出优良的电化学性能。在电容性能方面,电流密度为1 Ag~(-1)、电解液为1 M H_2SO_4的条件下,比电容值可达889 Fg~(-1);经过10000个充放电周期后比电容值仅减少1.2%(20 Ag~(-1));在氧还原性能方面,其在碱性电解液中催化四电子的氧还原,性能接近于Pt/C电极,且表现出更好的选择性和稳定性。本文的研究结果可为污泥碳可控制备及其在电化学电极材料中多功能应用提供借鉴,为实现污泥资源化利用提供途径。
【图文】：

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图 3-1 污泥碳材料的制备原理图。Figure 3-1 Schematic illustration of the preparation of sludge-derived carbon.余污泥在富集培养的过程中，微生物数量急剧增加。在元素组成方面，由于微长需要，富集了大量的氮、磷、铁等元素。同时，在污泥形貌结构方面，由于长过程中产生了大量胞外聚合物以及菌丝，使得块状污泥变的疏松多孔，便于生如图 3-1 中的分层多孔结构的污泥碳结构。最后探索这种多孔污泥碳材料在器电极方面的应用。实验的污泥驯化和污泥碳制备的方法见第二章（2.3.1）和（2.3.2），步骤如浓缩污泥样品置于的广口瓶中，并加入培养液和浓度梯度依次增大的苯酚驯化化，直到驯化污泥能够有效稳定地降解苯酚，，苯酚驯化污泥则驯化完成。然后泥絮体经烘干、研磨、高温碳化、酸洗、润洗烘干等过程制备得到。驯化前后碳分别记为 CSC 和 P-CSC；驯化前后的市政污泥碳分别记为 MSC 和 P-MSC

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采用扫描电镜 SEM 和透射电镜TEM 观察它们的微观结构。所有样品的 SEM 中均出现了交互的多孔网络结构（如图3-2a，b 和图 3-2e，f）。这四个样品之间的形貌出现了显著差异，相比于未驯化污泥碳，苯酚驯化后的污泥碳产生了分层的多孔类石墨烯纳米结构。这种独特的结构有利于电极材料和电解质离子的吸附与扩散，进而提高材料的双电层电容[89,90]。TEM 图像（图 3-2c，
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】