电化学转盘处理有机废水装置的研制及其应用

发布时间：2020-05-17 08:29

【摘要】： 电化学高级氧化方法作为一种操作简便的清洁工艺,在废水净化方面倍受关注,目前的研究主要集中在优化电极材料、克服电极副反应、延长电极寿命等方面,以适应处理废水的需要,克服该工艺还存在的电流效率低、处理成本高及电极易钝化等缺点。本文主要利用新型的电极材料——掺硼金刚石薄膜电极的优越性能结合全新的电极结构装置——微阵列电极电化学转盘新方法来尝试进行电化学降解有机污染废水的研究,其中新型的掺硼金刚石薄膜电极对降解有机废水具有高电流效率和高稳定性,微阵列电极电化学转盘法有利于提高传质速率,从而可达到提高电流效率的目的。本论文主要做了以下两部分的研究: 第一部分的工作是研制了一种新型Cu-C电化学转盘装置,以铜(Cu)做为阴极,石墨(C)做为阳极,阴阳极交替分布在一个圆盘上。电解时转盘的一半在水中而另一半在空气中,通过转盘的转动提高传质速率和加速空气中的氧气向溶液中传递,从而提高电极的氧化还原效率。主要工作具体如下: 1)以模拟染料废水为处理对象,考察了转速、电压、电流、pH值以及处理时间等实验条件对模拟染料废水脱色率、化学需氧量(CODCr)去除率的影响。采用紫外-可见分光光谱(UV-Vis)、红外(IR)、电子顺磁共振(EPR)等方法分析了染料废水降解的机理。Cu-C电化学转盘法能有效地去除活性艳橙X-GN模拟染料废水的色度。在转盘转速为70rpm,电流强度为0.15A,pH为7.03条件下电解60min,色度去除率能达到99.5%。UV-Vis和IR图谱分析表明,活性艳橙X-GN在电解过程中很快被降解。EPR检测结果表明在电解过程中有自由基生成。Cu-C电化学转盘法处理活性艳蓝X-BR的实验结果表明,Cu-C电化学转盘法能有效的去除活性艳蓝X-BR模拟染料废水的色度和CODCr。当转盘转速为70rpm,电压为10V,pH为7.02时,电解60min色度去除率能达到96%以上,电解150min,CODCr去除率能达到61%。UV-Vis图谱分析表明活性艳蓝X-BR在处理过程中很快被降解。 2)以切削液实际废水为处理对象。考察了转速、电压、pH值等因素对处理效率的影响。Cu-C电化学转盘法能有效地去除废水的含油量和CODCr值。在转速为60rpm、电压为10V,pH值为7.75的条件下电解120min,含油量和CODCr去除率能分别达到94.9%和86%。与传统的三维电极法相比较,Cu-C电化学转盘法对切削液废水中的含油量去除效果更好。第二部分的工作是制备了掺硼金刚石薄膜(Boron-Doped Diamond,BDD)微阵列电极,对其进行了性能表征和电化学性能研究。将其引入BDD微阵列电极电化学转盘,并用于模拟染料废水和实际染料废水的处理。主要工作具体如下: 1)本征金刚石薄膜的制备。采用热丝化学气相沉积法(Hot Filament Chemical Vapor Deposition,HFCVD)在硅片衬底上生长出晶形好,质量好的本征金刚石。研究了不同预处理方法对金刚石成核密度的影响;研究了碳源浓度、沉积温度等因素对本征金刚石生长的影响。实验结果表明:采用粒径0.5-1.0μm的金刚石粉研磨45min的预处理方法能得到108/cm2以上的成核密度。以钽丝(直径0.7mm)为灯丝,灯丝与衬底之间的距离为7mm,偏流为3-4A,气体总流量为260 SCCM,碳源浓度为0.7%,沉积温度控制在700-750℃的情况下能得到晶形好的本征金刚石。Raman光谱检测的结果表明,本征金刚石的质量很好,非金刚石成份极少。 2)BDD微阵列电极的制备。在本征金刚石上沉积一层SiOxNy,然后采用光刻法,在本征金刚石上制作成图形化的SiOxNy层,然后以B2O3为固体硼源,采用与生长本征金刚石相同的生长条件,进行掺硼金刚石薄膜的生长。用氢氟酸腐蚀掉SiOxNy牺牲层便可得到掺硼金刚石薄膜微阵列电极。 3)BDD微阵列电极的性能表征和电化学性能研究。采用扫描电镜(SEM)研究了电极的表面形貌,掺硼金刚石颗粒晶形好,电极边缘整齐。Raman光谱结果表明,BDD薄膜质量好,非金刚石成份很少。采用三电极电化学方法研究了掺硼金刚石薄膜微阵列电极的电化学性能。实验结果表明,电极在Na2SO4溶液中的电位窗口宽(2.9V);当以Pt电极为对电极,BDD微阵列电极为工作电极时,其在铁氰化钾溶液中的电化学行为符合准可逆反应的特征;当以一组BDD微阵列电极为对电极,另外一组BDD微阵列电极为工作电极时,其在铁氰化钾溶液中的电化学行为符合可逆反应的特征。 4)BDD微阵列电极电化学转盘法的应用。用BDD微阵列电极电化学转盘法处理酸性深蓝P-2RB模拟染料废水,研究了电压、转速、pH对脱色效率的影响。当电压为8V,转速为90rpm,pH为中性时处理效果最好。电解时间为40min时,脱色率达到90%。电解3h,CODCr去除率为72%。UV-Vis图谱分析,染料分子结构遭到破坏,发色基团被降解。采用BDD微阵列电极电化学转盘法处理实际染料废水,电解60min,色度去除率为85%,电解90min,色度去除率能达到90%。UV-Vis图谱分析发现在开始阶段吸收峰下降很快,随后变缓。电解3h后,CODCr去除率能达到65%。采用BDD微阵列电极电化学转盘法处理活性艳蓝X-BR模拟染料废水,电解70min,色度去除率能到达95%。电解3h后,CODCr去除率能达到66%。 5)通过比较Cu-C电化学转盘法和BDD微阵列转盘法发现,在单位电极面积去除色度的效果以及能耗方面,BDD微阵列转盘有优势。论文结论为:Cu-C电化学转盘法能有效去除活性染料废水的色度和CODCr;能有效去除切削液废水中的含油量。采用热丝CVD法和光刻技术能制造出边缘整齐、质量好、性能好的掺硼金刚石薄膜微阵列电极。BDD微阵列电极电化学转盘法能有效去除模拟染料废水和实际染料废水的色度。由于转盘的转动能提高传质速率、BDD高电流效率和高稳定性以及微阵列电极极小的极间距,所以在单位电极面积去除色度的效果以及能耗方面,BDD微阵列转盘有优势。
【图文】：

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图 1-1 电化学氧化原理示意图Fig.1-1 Principle of electrochemical oxidation(a) 直接电解（b）可逆间接电解（c）不可逆间接电解（a）Direct electrolysis (b)Reversible indirect electrolysis (c)Irreversible indirect electrolysisR－污染物 O－氧化产物 C－间接电化学过程产生的中间活性物质R－Pullutants O－Oxidation C－Activated intermediate电化学氧化法主要是利用阳极的高电位和有催化活性的阳极电极反应产生的具氧化能力的活性自由基来氧化降解有机物的一种氧化方法。但反应受到电极材料及应——析氧反应的限制，在有Cl-存在的废水中还会生成Cl2气体。这会降低反应效通过电极材料的选择和电位控制加以防止[16]。电化学氧化法可分为直接氧化法和间化法。直接氧化法是利用阳极的高电势氧化降解废水中无机或有机物质；间接氧化是利用阳极氧化产物的氧化性，氧化降解废水中无机或有机物质。电化学氧化法的

金刚石晶体,结构示意图,失活

金刚石晶体结构示意图
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X703

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