气体扩散电极电催化气态零价汞研究

发布时间：2019-09-22 01:26

【摘要】：汞(Hg~0)是唯一以气态形式存在于大气中的重金属污染物,极易通过大气循环造成全球范围的污染,并可通过生物富集对动植物及人体产生较大的危害,因此对汞排放的控制迫在眉睫。本研究采用自制气体扩散电极电催化反应器对模拟气体中的Hg~0进行氧化处理研究;探讨了不同条件下气体扩散电极产H_2O_2的能力,研究了其对Hg~0的去除效率,并探究了机理;对比研究了电-芬顿、电-光催化氧化等复合体系氧化Hg~0的能力。首先,本研究制备了表面平整、透气性好、具有一定机械强度且内部有较多的"气-液-固"三相接触面的气体扩散电极。设计制作了电催化反应器,以气体扩散电极作阴极,Ti/IrO_2作阳极,模拟气体自反应器下部通入,在一定的压力下进入气体扩散电极进行扩散,并在通电的情况下模拟气体中的氧气在三相接触面上进行氧还原反应产生H_2O_2,考察了碳种类、电解电压、电解质浓度等因素对H_2O_2产量的影响。结果表明:以碳黑(VulcanXC-72)为表面碳材料制备的电极有较大的H_2O_2产量及电流效率,4 V,120min后H_2O_2浓度为24.4mmol/L,其电流效率在60%以上;6V,120min,H_2O_2浓度约为3 V时的4倍;电解质浓度为0.8 mol/L时,产量为51.6 mmol/L;氧气含量由6%增至21%时,H_2O_2的产量变化小于5%;反应最佳pH值为7,酸性或碱性都不利于H_2O_2的产生;过高的反应温度不利于溶液中H_2O_2的累积,当电解液温度达到70℃时,H_2O_2浓度仅为1.9 mmol/L。其次,将自制的高效产H_2O_2的气体扩散电极应用于电催化氧化脱除模拟气体中Hg~0实验研究,发现电极性能较稳定且具有较好的氧化去除Hg~0的能力。在研究过程中考察了电解电压、气体流量、电解液温度等因素对产H_2O_2的影响。Hg~0的初始浓度为350μg/m3,以碳黑(VulcanXC-72)为表面碳材料制备的电极优于石墨制备的电极,对Hg~0的去除率为33.9%;电压由3 V升至6 V时,Hg~0去除率由21%增至46%;电解质浓度的增加可提高Hg~0去除率,Na_2SO_4溶液浓度由0.05 mol/L升至0.8 mol/L,其对应的Hg~0去除率从24%提升至72%。结论证明在氧还原体系中产生的较高浓度的H_2O_2有利于Hg~0的氧化脱除,同时研究发现,Hg~0的去除率不仅依赖于H_2O_2的浓度,而且受氧还原反应生成的强氧化性自由基的影响。电解质溶液的pH影响H_2O_2的产量和稳定性,最佳pH值为11,对应的Hg~0的去除率为60%;高温也会促进H_2O_2的分解,当电解液温度为70℃,其对应的Hg~0去除率可达91%。然后,通过在电解液中加入适量的Fe~(2+)的方式构建电-芬顿体系,进一步强化电催化氧化体系对Hg~0的氧化能力。该复合体系氧化去除Hg~0的能力相较于电催化氧化体系有了大幅度的提升,当Fe~(2+)为10 mmol时,Hg~0的去除率达到了 82.6%,比相同条件下不加Fe~(2+)时的去除率提高约三倍,最佳pH值在3左右。同时,在反应的过程中出现了铁泥堵塞气体扩散电极孔道的现象,导致电极重复性较差。最后,通过在电催化氧化体系中引入紫外光的方式构建了电光一体反应体系强化Hg~0的脱除。该复合体系主要利用紫外光具有的能量将单质汞激发转化为氧化态汞,同时促进了阴极间接氧化生成的H_2O_2进一步分解为具有强氧化性的羟基自由基,该复合体系具有较好的氧化Hg~0的能力。4V、0.1mol/LNa_2SO_4作为电解质溶液的条件下,电-光氧化体系可以实现70%的Hg~0去除率,并且随着电压增加、气体流量提高、电解质浓度增加,Hg~0去除率都有一定的提高。为强化体系氧化能力,构建了电光串联氧化体系,结合了单独氧化体系的优势,Hg~0的去除效率较高,可以达到86.0%。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X701

【参考文献】